路堤柔性荷載下CFG樁復(fù)合地基數(shù)值分析

李善珍

摘 要：本文在路基原型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/GTS，對(duì)路堤在柔性荷載作用下樁帽、樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁身應(yīng)力和樁頂沉降位移進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁身應(yīng)力大于樁帽式，這表明樁筏式CFG樁復(fù)合地基的承載特性較好；就整體沉降而言，樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁頂沉降均小于樁帽式的情況，同時(shí)樁筏式的沉降較均勻，這表明樁筏式CFG樁復(fù)合地基能夠更好地控制地基沉降，以期為以后的工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：柔性路堤；CFG樁；數(shù)值模擬；復(fù)合地基

1 概述

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速鐵路建設(shè)規(guī)模也隨之增加。高速鐵路對(duì)路基工后沉降要求極為嚴(yán)格，為滿足此要求，CFG樁復(fù)合地基技術(shù)被廣泛使用。因此，深入研究復(fù)合地基路基結(jié)構(gòu)的受力和沉降特性對(duì)高速鐵路的設(shè)計(jì)和施工具有非常重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行了一系列研究：Kempton[1]運(yùn)用拉格朗日有限差分法，分別研究了二維、三維兩種情況下復(fù)合地基加固區(qū)的樁土應(yīng)力比；Poorooshasb H B[2]建立了剛性樁和柔性樁兩種有限元模型，分析了二者樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律；Giroud和Han[3-4]（2004）對(duì)土工格柵的加筋作用進(jìn)行了系列研究，提出了張拉薄膜理論（tensioned membrane theories），分析了路堤下褥墊層厚度的設(shè)計(jì)方法；陳仁朋，賈寧等[5]通過有限元分析對(duì)樁承式加筋路堤進(jìn)行分析，得到樁頂處的應(yīng)力小于樁身最大應(yīng)力，以及樁長荷載和沉降的影響規(guī)律；肖偉、王建西[6]對(duì)哈大客專海城西站 CFG 樁帽復(fù)合地基承載特性進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明，樁帽結(jié)構(gòu)改變了地基中附加應(yīng)力分布狀態(tài)，地基沉降得到了有效控制；蔡德鉤[7]通過建立三維模型，分析了軟土層模量、下臥層模量、樁間距、等對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基的受力、變形特性的影響；馬建林，劉俊飛等[8-10]對(duì)京滬高速鐵路北段李窯試驗(yàn)段CFG樁網(wǎng)、樁筏復(fù)合地基的加固效果，樁、土應(yīng)力和荷載分擔(dān)比進(jìn)行了分析研究，得到如下結(jié)果：隨路堤填筑高度增加，樁土應(yīng)力比有逐漸增大的趨勢；最終樁土應(yīng)力比為3.2左右；路堤中心線處的樁土應(yīng)力比最大。

由此可見，對(duì)于路堤荷載下CFG樁復(fù)合地基的研究大都是在剛性基礎(chǔ)的理論上進(jìn)行的，而對(duì)于柔性基礎(chǔ)的研究較少。基于此，文章運(yùn)用有限元軟件，研究柔性基礎(chǔ)下樁帽、樁筏式CFG復(fù)合地基的受力和變形特點(diǎn)。

2 模型方案與參數(shù)選取

根據(jù)文章研究內(nèi)容，確定如下四種模型方案：樁帽懸浮式復(fù)合地基；樁帽支撐式復(fù)合地基；樁筏懸浮式復(fù)合地基；樁筏支撐式復(fù)合地基。為更清楚地反映各模型方案的效果，以天然地基作為參考。

3 有限元模擬分析

3.1 建立幾何模型

模擬單線高速鐵路，其中路基面寬度為8.8m，基底寬度為23.8m。由于路基結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，為簡化計(jì)算取路基中心線一側(cè)的路基來建立計(jì)算模型。具體幾何模型如圖1所示。

3.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

本模型模研究的是平面應(yīng)變問題，由路基實(shí)際情況可確定其邊界條件：路堤頂面和地基土頂面自由；左右側(cè)面對(duì)稱約束。

結(jié)構(gòu)部位不同，所需計(jì)算精度不同，這就要求網(wǎng)格的數(shù)量也不同。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化較大的部位（如樁、土體、墊層、筏板的接觸處），容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，故網(wǎng)格劃分較密；在遠(yuǎn)離樁體的部位計(jì)算數(shù)據(jù)變化較小，網(wǎng)格劃分可相對(duì)較疏。

3.3 模擬施工過程

為模型實(shí)際施工過程，結(jié)合各部分參數(shù)，確定了初始應(yīng)力平衡階段（自重作用下，位移清零）；路堤每層填土施工階段（填土高度為1m）；施工完成后，最終模擬效果如圖2示。

圖1 幾何模型 圖2 工后效果圖

4 結(jié)果分析

4.1 樁帽式CFG樁復(fù)合地基承載特性分析

（1）樁身應(yīng)力

取路堤中心線處最靠近中間一排樁中的一根樁進(jìn)行分析：

由圖3可知，樁身應(yīng)力在荷載作用下在1-3m范圍內(nèi)增大然后出現(xiàn)拐點(diǎn)減小，在5m以后樁身應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力的最小值出現(xiàn)在樁端處。當(dāng)?shù)谒膶勇返烫钔镣瓿蓵r(shí)，樁身應(yīng)力最大值為198kPa，應(yīng)力最小值為76kPa。由圖4可知，隨著路堤填土的進(jìn)行樁身應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)且逐漸增大，應(yīng)力峰值也有增大趨勢。

（2）樁頂沉降

樁頂沉降值取復(fù)合地基中間一排樁分析：

由圖5可知，路堤中心線處的樁頂位移最大，位移隨著離開路堤中心線距離的增大而減小，路堤填土結(jié)束后，樁頂位移的最大、最小值分別為41mm和31mm。

由圖6可知，位移變化趨勢與樁帽懸浮式大體相同，但幅度較大。另外，支撐式復(fù)合地基最后一層路堤填土施工結(jié)束時(shí)的最大位移僅為19mm，但懸浮式的位移是41mm。顯然，整體沉降支撐式復(fù)合地基的小于懸浮式復(fù)合地基的。

4.2 樁筏式CFG樁復(fù)合地基承載特性分析

（1）樁身應(yīng)力

由圖7可得，樁筏式復(fù)合地基的樁端應(yīng)力均大于樁帽懸浮式復(fù)合地基的樁端應(yīng)力，且變化趨勢大體一致；同樣可得圖8，其分布規(guī)律與樁帽支撐式復(fù)合地基類似，即樁身應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，且最終端應(yīng)力接近樁頂應(yīng)力。

（2） 樁頂沉降

由圖9得出，路堤中心處位移與路堤中心10m處的位移差不大，變化趨勢一致且較平緩，這表明筏板的存在能使路基整體沉降比較均勻。由圖10得出，路堤填土結(jié)束后，路堤中心線周圍樁頂最大位移值是9mm，相對(duì)樁筏懸浮式復(fù)合地基沉降減少了約35%，該數(shù)據(jù)是樁端堅(jiān)硬持力層作用的結(jié)果。

4.3 樁帽、樁筏式CFG樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比

就樁身應(yīng)力而言，隨著四個(gè)階段填筑施工的完成，樁身應(yīng)力均是增大趨勢，且兩中支撐方式的變化趨勢大體一致，但樁筏在整體上大于樁帽的；而樁頂位移是樁筏的比樁帽的更為均勻。

5 結(jié)束語

由樁身應(yīng)力的分布可得隨著樁長的增加，樁側(cè)摩阻力漸漸發(fā)揮作用，分擔(dān)了部分荷載，使得樁土成為一個(gè)整體來共同承擔(dān)荷載；樁身應(yīng)力出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)的原因是由于，當(dāng)荷進(jìn)一步加大時(shí)，樁間土由于被壓縮應(yīng)經(jīng)不能分擔(dān)所有荷載，這時(shí)樁端堅(jiān)硬持力層開始作用，因其剛度較大，樁端處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此樁端附近的應(yīng)力增大；同時(shí)也顯示樁端堅(jiān)硬持力層的存在對(duì)沉降的控制有明顯效果，故建議在實(shí)際工作工程中樁端能堅(jiān)硬持力層接觸。

參考文獻(xiàn)

[1]Kempton G，Russell D，Pierpoint N，Jones CJFP. Two and three-Dimensional Numerical Analysis of the Performance of Piled Embankments.Int.6th.International Conference on Geosyntbetics：767-772.

[2]Poorooshasb H B，Alamgir M，Miura N. Negative skin friction on rigid and deformable Piles，Computers and Geotechnics.1996，18（2）：109-112.

[3]Giroud， J.P.， Han， J. Design method for geogrid-reinforced unpaved roads-Part I：theoretical development[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2004，130（08）：776-786.

[4]Giroud，J.P.， Han， J. Design method for geogrid-reinforeed unpaved roads-PartII：calibration and verifieation[J].Journal of Geoteehnieal and Geoenvironmental Engineering， ASCE，2004，130（8）：787-797.

[5]陳仁朋，許峰，陳云敏，等.軟土地基上剛性樁-路堤共同作用分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2005，18（3）：7-13.

[6]肖偉，王建西.海城西站CFG樁帽復(fù)合地基數(shù)值分析[J].鐵道建筑，（2012）.

[7]蔡德鉤，葉陽升，等.樁網(wǎng)支承路基力學(xué)性能數(shù)值分析[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31（3）：1-7.

[8]馬建林，劉俊飛，朱明，等.高速鐵路CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土承載特性試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2009（7）：56-58.

[9]趙國堂，馬建林，彭聲應(yīng)，等.高速鐵路CFG樁不同結(jié)構(gòu)形式下地基沉降一時(shí)間發(fā)展的試驗(yàn)研究與預(yù)測[J].鐵道建筑，2009（7）：62-65.

[10]馬建林，孔文亞，朱明，等.高速鐵路深厚松軟土層CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場測試技術(shù)綜述[J].鐵道建筑，2009（7）：76-80.