筏板式與樁帽式CFG樁數(shù)值對比分析

蔣宗全，曹玉新，馬耀先，曲宏略，朱浩波

(1.中國水電集團(tuán)，北京 100048;2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

0 引言

CFG樁復(fù)合地基是由中國建筑科學(xué)研究院地基所在碎石樁基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，并已應(yīng)用于工程實(shí)踐。與淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)相比較，CFG樁復(fù)合地基的研究在理論上還不成熟，落后于工程實(shí)踐，其承載力和沉降計(jì)算理論正在發(fā)展之中［1］。目前，關(guān)于復(fù)合地基沉降的計(jì)算方法有很多，總的來說，可分為數(shù)值分析和簡化計(jì)算兩大類。其中有限元數(shù)值分析法能較好地反映復(fù)合地基中樁、土間的相互作用及樁、土材料的非線性特性，在進(jìn)行沉降分析時(shí)具有很大的優(yōu)越性。近年來很多工程技術(shù)人員已經(jīng)開始采用有限元法對CFG樁復(fù)合地基的承載力、沉降進(jìn)行分析模擬，并取得了很多有價(jià)值的成果［2］。

CFG樁復(fù)合地基能有效減小地基沉降，作為一種手段，它已在地基處理中得到廣泛的應(yīng)用。很多工程中，為了增加CFG樁的受荷面積，在CFG樁樁頂設(shè)置樁帽或設(shè)置筏板。筏板一般采用鋼筋混凝土板制作，造價(jià)較高。本文以新建鐵路曲阜站復(fù)合地基的沉降分析及評估為背景，通過二維有限元程序PLAXIS，對曲阜站復(fù)合地基的沉降進(jìn)行了系統(tǒng)分析及研究，提出了用設(shè)置樁帽的CFG樁代替筏板CFG樁的建議，并論證了這個(gè)建議的可行性。

1 工程概況

曲阜站 DK531+971.43—DK534+400位于沖積平原之上，地形較為平坦。地層分布從上至下為:粉質(zhì)黏土，厚0～3.4 m;黏土，厚0～4.8 m;中砂，厚0.2～2.0 m;以下為粉質(zhì)黏土，褐黃色。地下水埋深為2.55 m左右，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

曲阜站的路基填土高為8.0 m，地基采用CFG樁加固，CFG樁樁徑為0.5 m，路基基底中部為筏板CFG樁，樁頂設(shè)置厚0.5 m的C30鋼筋混凝土板，板下CFG樁為正方形布置，樁長30 m，樁間距1.5 m。基底兩側(cè)采用帶樁帽的CFG樁，樁頂鋪設(shè)0.6 m的碎石墊層，樁長25 m，樁縱向間距1.6 m，橫向間距1.5 m。碎石墊層內(nèi)設(shè)置高強(qiáng)度的土工格柵，堆載預(yù)壓土體高3.5 m。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

本文采用PLAXIS二維有限元分析軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的幾何尺寸對曲阜站復(fù)合地基和路基填土進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。網(wǎng)格的基本單元類型采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元。CFG樁、鋼筋混凝土筏板及樁帽的力學(xué)行為用線彈性模型模擬，地基土用Mohr—Coulomb模型模擬。CFG樁、筏板及樁帽采用板單元模擬。為了模擬樁—土之間的相互作用，在樁與土之間設(shè)置接觸單元。分析中，由于高強(qiáng)度土工格柵的作用相當(dāng)于在墊層中加筋，計(jì)算中墊層采用線彈性模型［3］。地下水位設(shè)置在地基面下2.55 m處。路基填土分為四層填筑，每層填筑2 m，單層施工工期為7 d。堆載預(yù)壓土體分兩次預(yù)壓，第一次預(yù)壓土體高1.5 m，第二次預(yù)壓土體高2 m。

為了降低邊界條件的影響，設(shè)置邊界條件為:豎直方向延長1倍樁長，水平方向延長4倍路基填土高度。由于地基土的下部和左右邊界遠(yuǎn)離樁體，因此可視為無位移的固定邊界。有筏板和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基模型見圖1和圖2。

圖1 有筏板CFG樁復(fù)合地基模型

圖2 有樁帽的CFG樁復(fù)合地基模型

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算主要以DK532+548斷面工程資料為依據(jù)。根據(jù)施工單位提供的土工參數(shù)，列出模型使用參數(shù)，見表1。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

路基沉降云圖如圖3和圖4所示，路基面、地基面的豎向位移及路基坡腳的水平位移對比曲線如圖5、圖6和圖7所示。

表1 土層參數(shù)

圖3和圖4顯示，路基中心線處，路基表面的沉降達(dá)到了最大值，隨距路基表面距離的增加，沉降逐漸減小。由于筏板CFG樁加固造價(jià)較高，且澆筑施工過程繁瑣，基于簡化施工工藝、降低成本的目的，本文分析比較了用帶樁帽和帶筏板的CFG樁加固地基后對地基沉降的影響。分析發(fā)現(xiàn)，用帶樁帽的CFG樁加固的地基沉降范圍大于用帶筏板的CFG樁加固的地基沉降范圍，兩者沉降云圖均為對稱分布，符合對稱模型的特點(diǎn)。結(jié)果顯示，帶筏板的CFG樁復(fù)合地基的總沉降是4.15 cm，帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基的總沉降是4.44 cm，兩者相差0.29 cm，說明兩種加固措施所達(dá)到的效果基本相同。

圖6顯示，隨著施工天數(shù)的增加，地基面的沉降隨之增大，而沉降速率在不斷減小，帶筏板和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基在位移的發(fā)展趨勢上基本相同，說明路基已基本完成施工期沉降過程。卸載后，兩者均產(chǎn)生回彈，回彈趨勢基本相同。

圖5和圖6顯示，在堆載完全預(yù)壓之后，兩者在路基頂面和地基面的沉降相差4 mm左右，說明沉降主要由地基引起，其沉降約占總沉降的90%左右，而路基部分由于填料具有較好密實(shí)度和強(qiáng)度，沉降相對較小。

圖3 用筏板CFG樁加固的路基沉降云圖

圖4 用樁帽CFG樁加固的路基沉降云圖

圖7顯示，帶筏板的CFG樁和帶樁帽的CFG樁復(fù)合地基在坡腳處的水平位移隨施工天數(shù)的增加發(fā)展趨勢基本相同，最大水平位移在1 mm左右，表明在施工過程中路基邊坡是穩(wěn)定的［4-6］。

圖5 兩種CFG樁復(fù)合地基路基面豎向位移對比

4 結(jié)論

圖6 兩種CFG樁復(fù)合地基地基面豎向位移對比

圖7 兩種CFG樁復(fù)合地基路基坡腳處水平位移對比

通過比較曲阜站帶樁帽和帶筏板的CFG樁復(fù)合地基的加固效果發(fā)現(xiàn)，兩種加固措施產(chǎn)生的最終沉降相差較小，表明這兩種措施的加固效果相當(dāng)，其次通過比較加固后復(fù)合地基在坡腳處的水平位移變化發(fā)現(xiàn)，坡腳水平位移較小，表明在施工過程中路基邊坡是穩(wěn)定的。從上述研究結(jié)果得到對深厚軟基進(jìn)行加固時(shí)，可用帶樁帽的CFG樁代替帶筏板的CFG樁，可達(dá)到降低成本的目的。

［1］劉成宇.土力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］閻明禮 張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐［M］.中國水利水電出版社，2001.

［3］馬秉務(wù).CFG樁復(fù)合地基三維有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.西部探礦工程，2009(6):20-23.

［4］丁銘績，王連俊.高速鐵路軟土復(fù)合地基路基的位移數(shù)值計(jì)算分析［J］.鐵道勘察，2007(3):17-20.

［5］熊昌盛，張佰戰(zhàn)，董承全，等.CFG樁樁身完整性與承載力檢測技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(2):71-73.

［6］彭志鵬.CFG樁處理中等壓縮性土地基試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2009(7):13-18.