CFG樁處理軟土路基沉降監(jiān)測(cè)及FLAC3D模擬分析

李學(xué)軍，曾祥紀(jì)

（1.漢川市公路事業(yè)發(fā)展中心，湖北 漢川 432300；2.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100000）

1 引言

目前，規(guī)范已經(jīng)給出的地基處理方法有很多，如換填墊層、堆載法、強(qiáng)夯法、復(fù)合地基法等，復(fù)合地基法又包括碎石樁、水泥攪拌樁、CFG樁等。其中CFG樁的全稱為水泥粉煤灰碎石樁，是在碎石樁的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良而來(lái)的，CFG樁在利用自身強(qiáng)度的同時(shí)還增加了樁間土的承載力，使得復(fù)合地基整體的力學(xué)特性得到了很大的提高[1]。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)CFG樁在軟土地基中的應(yīng)用研究已有了較為豐富的成果。趙明志等[2]優(yōu)化了CFG樁承載時(shí)總體豎向位移的計(jì)算公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，提升了CFG樁沉降計(jì)算的精度。王帥[3]進(jìn)行了不同荷載下的試驗(yàn)，得到了豎向位移與兩種阻力之間的非線性規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)與有限元數(shù)值計(jì)算的對(duì)比驗(yàn)證了此規(guī)律的準(zhǔn)確性。苗青山[4]以新建鐵路湖州至杭州西至杭黃鐵路連接線施工為研究背景，由于DK99+482.125~DK111+275里程段分布有軟土層，預(yù)采用CFG樁對(duì)軟土地基進(jìn)行加固施工。

本文為研究CFG樁對(duì)復(fù)合地基變形性能的影響，基于某一工程的典型工點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)FLAC 3D建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)CFG樁加固路基的變形特性進(jìn)行分析，以期對(duì)工程實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。

2 CFG樁加固地基的基本原理

CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏結(jié)強(qiáng)度樁，CFG樁加固軟弱地基的基本原理是使樁和樁間土通過(guò)褥墊層形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載，從而提高地基的工程性質(zhì)。CFG樁對(duì)軟土地基的作用主要包括樁體作用、擠密作用和褥墊層作用。

當(dāng)CFG樁復(fù)合地基受到上部荷載時(shí)，樁與樁間土首先會(huì)按照與基礎(chǔ)的接觸面積來(lái)分擔(dān)荷載。由于CFG樁的變形模量遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量，樁間土沉降比樁體沉降大，樁與樁間土產(chǎn)生相對(duì)位移。褥墊層在上部荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生一定變形，即樁體會(huì)向上刺入褥墊層中，荷載向樁身集中的現(xiàn)象。由于褥墊層的壓縮模量遠(yuǎn)大于樁間土的壓縮模量，樁間土與褥墊層之間的相互作用力減小，上部荷載也將通過(guò)褥墊層向樁體轉(zhuǎn)移。CFG樁、樁間土以及褥墊層之間相互作用，使其在受外部荷載作用的過(guò)程中具有很好的整體性。

3 CFG樁復(fù)合地基沉降監(jiān)測(cè)

本文某高速公路軟土路基段的地基處理工程為例。工點(diǎn)位于長(zhǎng)江中游北岸，地層主要包括雜填土、淤泥、黏土等，屬于典型的軟土地區(qū)，考慮采取CFG樁地基處理方法對(duì)路基進(jìn)行加固。

對(duì)CFG樁加固后的軟土路基斷面位置進(jìn)行地基沉降監(jiān)測(cè)，所選取的斷面距離較遠(yuǎn)，可忽略其相互影響，故其結(jié)果具有一定代表性，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括路面沉降監(jiān)測(cè)、邊樁位移監(jiān)測(cè)以及路基水平位移監(jiān)測(cè)。

將3個(gè)斷面的沉降數(shù)據(jù)分析匯總結(jié)果如表1所示。由表1可知，路基的工后沉降量占總沉降量的比值隨著路基填土高度的增加逐漸降低，考慮其原因?yàn)楹笃谔钔翆?duì)于早期填土起到了堆載的作用，使得早期的沉降得到了充分發(fā)展，減小了后期的工后沉降占總沉降的比值。

表1 不同斷面沉降量匯總

4 CFG樁復(fù)合地基數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

利用FLAC 3D軟件建立計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型可在保證其符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化，本文考慮建立二維路基模型以簡(jiǎn)化計(jì)算，模型自上而下分別為高度為5 m的填土、厚度為2 m的素填土、厚度為6 m的淤泥、厚度為3 m的粉質(zhì)黏土和厚度為20 m的黏土。上部填土的本構(gòu)模型采用彈塑性模型，下部軟土地基采用摩爾-庫(kù)倫模型，樁體采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，建立計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

在設(shè)置模型的邊界條件時(shí)，分別對(duì)前后左右4個(gè)土體邊界進(jìn)行約束，限制路基的水平位移。在模擬路基填土施工前，應(yīng)先對(duì)路基填土單元模型進(jìn)行空模型處理，并對(duì)該路基建立自平衡的初始地應(yīng)力場(chǎng)，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，路基在填土前在其自身重力作用下已發(fā)生沉降變形，土體已達(dá)到固結(jié)狀態(tài)。在模擬路基填土?xí)r，再逐步激活每一級(jí)的路基填土命令流，實(shí)現(xiàn)模擬路基填土過(guò)程。假設(shè)在計(jì)算分析過(guò)程中不考慮施工期間的機(jī)械荷載作用。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，施工模擬的加載方式選用逐級(jí)加載的方式，每次填土高度為0.5 m。

各地層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值以及CFG樁樁體參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 巖土體力學(xué)參數(shù)取值

表3 CFG樁樁體材料參數(shù)取值

4.2 沉降分析

通過(guò)FLAC 3D軟件計(jì)算路基分層填筑過(guò)程中模型整體的應(yīng)力與變形。在不同填土高度的情況下，總沉降量隨著距路基中心距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同填土高度路基沉降分布曲線

由圖2可知，路基中心的總沉降量遠(yuǎn)大于路肩處的總沉降量，總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小。總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小這一規(guī)律隨著填土高度的增加而越發(fā)明顯，當(dāng)填土高度為1 m時(shí)，同一平面下的總沉降量基本一致，而當(dāng)填土高度為5 m時(shí)，同一平面下，路基中心點(diǎn)處的沉降量明顯大于路肩處的沉降量。路基的水平位移隨著填土的高度增加而不斷增大。隨著填土高度的增加，路基最大水平位移量逐漸增大，在同一填土高度時(shí)，隨著距路基中心距離的增大，路基水平位移量也逐漸增大。

隨著填土高度的增大，樁體的總沉降量增大，在相同的填土高度下，隨著距路基中心距離的增大，樁體的沉降量逐漸減小，且樁體樁頂與樁底的沉降量基本一致，其沉降量差異最大僅為0.2 cm，說(shuō)明CFG樁的沉降是樁體相對(duì)于樁間土整體向下滑動(dòng)，導(dǎo)致樁體下沉，樁體本身并未產(chǎn)生較大變形。

通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)值與FLAC 3D的模擬值，發(fā)現(xiàn)隨著沉降時(shí)間的增加，實(shí)測(cè)沉降值與模擬沉降值的誤差在逐漸減小，填土后期的沉降誤差明顯小于填土初期沉降誤差，說(shuō)明FLAC 3D軟件在模擬路基沉降過(guò)程中的擬合效果逐漸變好，本文采用FLAC 3D計(jì)算方法對(duì)該工程的軟土加固進(jìn)行模擬分析是可行的。

4.3 CFG樁處理與未處理地基沉降對(duì)比

將天然路基沉降值和CFG樁復(fù)合地基加固沉降值隨距路基中心距離的關(guān)系曲線如圖3所示。

如圖3所示，在路基填筑完成的情況下，CFG樁加固的路基沉降量遠(yuǎn)小于天然路基沉降量，且CFG樁加固的路基，其路基中心與路肩之間的差異沉降值也遠(yuǎn)小于天然路基，說(shuō)明CFG樁加固路基對(duì)于減小軟土路基的沉降量有著非常顯著的效果。

圖3 天然路基與復(fù)合路基沉降曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文為研究CFG樁對(duì)復(fù)合地基變形性能的影響，基于某工程典型工點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)FLAC 3D建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)CFG樁加固路基的變形特性進(jìn)行分析，所得結(jié)論如下：

1）路基的工后沉降量占總沉降量的比值隨著路基填土高度的增加逐漸降低，考慮其原因?yàn)楹笃谔钔翆?duì)于早期填土起到了堆載的作用，使得早期的沉降得到了充分發(fā)展，減小了后期的工后沉降占總沉降的比值。

2）隨著填土高度的增加，路基的總沉降量、整體水平位移和樁體位移均增大，總沉降量隨著距路基中心的距離增大而減小。

3）在路基填筑完成的情況下，CFG樁加固的路基沉降量遠(yuǎn)小于天然路基沉降量，且CFG樁加固的路基，其路基中心與路肩之間的差異沉降值也遠(yuǎn)小于天然路基，說(shuō)明CFG樁加固路基對(duì)于減小軟土路基的沉降量有著非常顯著的效果。