高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降影響因素分析

崔 剛

（中鐵十八局貴廣鐵路工程指揮部，貴陽 550000）

高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降影響因素分析

崔 剛

（中鐵十八局貴廣鐵路工程指揮部，貴陽 550000）

CFG樁具有承載力高、沉降量小、工期短等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工程建筑地基處理中，而CFG樁在高鐵地基中的應(yīng)用僅處于起步階段。文章以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端為研究對(duì)象，通過在地基土為凍土和非凍土的情況下改變CFG樁體參數(shù)及路基高度，以有限元軟件ADINA對(duì)地基進(jìn)行多次模擬，得出各參數(shù)的改變與地基沉降的關(guān)系，對(duì)CFG樁復(fù)合地基在高速鐵路中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

CFG樁；復(fù)合地基；高鐵路基；ADINA；沉降值

高速鐵路在資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略上占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展高速鐵路已在國際上形成共識(shí)。在全世界范圍內(nèi)，高速鐵路正在如火如荼地發(fā)展之中，高速鐵路是一個(gè)具有國際性和時(shí)代性的概念［1－4］。在高鐵的建設(shè)中，對(duì)路基的要求十分嚴(yán)格，甚至要求其工后沉降量小于15 mm。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明CFG樁復(fù)合地基能夠滿足上述沉降要求［5］，但是CFG樁復(fù)合地基在高鐵中的應(yīng)用還尚屬于起步階段［6］，其沉降特性還未詳細(xì)研究。本文以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端為研究對(duì)象，利用有限元軟件進(jìn)行模擬，對(duì)其沉降特性進(jìn)行了分析，對(duì)CFG樁復(fù)合地基應(yīng)用于高速鐵路中的方案優(yōu)化具有重大的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

北沙河特大橋小里程端的施工段以填方通過?；脖韺犹?.4 m厚的級(jí)配碎石，以下依次為0.3 m厚的中粗砂，1.0 m厚的非凍脹土和1.4 m厚的AB組土。地基土為20 m的粘土，粘土地基的加固采用CFG樁復(fù)合地基。路堤設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 哈大高鐵北沙河特大橋段路堤設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

2 有限元模擬

計(jì)算斷面選自哈大高鐵北沙河特大橋段，綜合考慮工程情況，采用大型有限元軟件ADINA對(duì)該斷面進(jìn)行模擬，地基以上土層分為2層，地基為單層土，地基土的參數(shù)選擇分別從非凍土，變溫凍結(jié)，恒溫凍結(jié)，變溫融化，恒溫融化5方面考慮，土體采用Mohr-Coulomb材料模型，各層土體材料由上至下的具體參數(shù)如表1所示。

建立模型時(shí)，為了方便計(jì)算，考慮到路堤的對(duì)稱性，取一半路基和地基建立模型?？捎绊懛秶〉鼗韵?0 m，從路堤邊界向外延伸10 m。將問題轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題，土體和樁采用4節(jié)點(diǎn)平面單元，根據(jù)實(shí)際工程情況和查閱材料的相關(guān)資料，樁采用Isotropic材料模型，彈性模量E＝2×109 kPa，泊松比μ＝0.25計(jì)算，樁和土之間接觸關(guān)系采用ADINA程序提供的接觸組、接觸面及接觸對(duì)來模擬。樁間距為1 m，樁徑為0.5 m，做復(fù)合地基，建立二維部分路堤的模型如2所示。

表1 模型土體參數(shù)選用表

圖2 高鐵路基有限元模型及網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果及分析

CFG樁的樁徑一般取0.4 m 或0.5 m［7］，在模擬過程中，首先以哈大路基高度為研究對(duì)象，選擇樁間距為2 m，樁徑為0.4 m，在地基土處于非凍狀態(tài)，以及地基土經(jīng)過凍結(jié)，融化過程后的情況進(jìn)行模擬，再考慮樁徑為0.5 m的情況進(jìn)行模擬，得出路基沉降累計(jì)值見圖 3；再分別選擇樁徑0.4 m和0.5 m，以地基土為凍土，不同樁間距進(jìn)行模擬，得到的路基沉降值見圖 4；最后分別選擇樁徑0.4 m和0.5 m，以地基土為凍土，對(duì)不同的路基高度的高鐵路基進(jìn)行模擬，得到的路基沉降值見圖5。

圖3 路基沉降值隨時(shí)間變化圖

由上圖可以看出：樁徑為0.5 m時(shí)的路基沉降值要小于樁徑為0.4 m時(shí)的路基沉降值；樁徑為0.5 m與樁徑為0.4 m相比，凍土和非凍土的沉降差距在減小，說明加大樁徑更適合于凍土路基的加固；不論任何樁徑，凍土的沉降值都大于非凍土的沉降值，其原因是凍土要經(jīng)歷凍結(jié)、融化的反復(fù)循環(huán)過稱，其間地下水起到主導(dǎo)作用，每次循環(huán)都會(huì)改變土體的結(jié)構(gòu)使土體在荷載作用下更易壓縮；非凍土要比凍土的沉降值更早趨于穩(wěn)定，其原因也在于非凍土結(jié)構(gòu)的改變。

圖4 路基沉降值隨樁間距變化圖

由圖4可知，隨著樁間距的增大，沉降量在逐步增大；樁徑為0.5 m時(shí)，樁間距在1.6 m時(shí)滿足規(guī)范要求，樁間距大于1.6 m時(shí)沉降值明顯增加；樁徑為0.4 m時(shí)，樁間距為1.3 m時(shí)能滿足規(guī)范的要求。

由圖5可以看出，隨著路基高度的增加，路基的沉降值在逐步增加，樁徑為0.4 m，樁間距為0.8 m時(shí)，路基6以下時(shí)都能滿足要求，樁間距為1 m時(shí)能滿足5.5 m以下的路基的沉降要求；樁徑為0.5 m，樁間距為1 m時(shí)，能滿足6.5 m以下的路基要求，樁間距為1.3 m時(shí)能滿足5.5 m以下路基的產(chǎn)將要求。

圖5 路基沉降值隨路基高度變化值

4 結(jié) 論

CFG樁復(fù)合地基能夠滿足凍土高鐵路基的沉降要求，隨著樁間距的增大，路基的最終沉降量會(huì)增大，隨著樁徑的增大，路基最終沉降量會(huì)減小，但綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，要根據(jù)實(shí)際工程情況找到最佳的樁徑與樁間距的組合，通過對(duì)哈大高鐵的路基模擬，該路基的最合適配比是樁徑為0.5 m，樁間距為1.6 m。

［1］錢立新.世界高速鐵路的發(fā)展水平和中國高速鐵路的技術(shù)進(jìn)展［J］.鐵路采購與物流，2009（10）：19-21.

［2］Andersen L，Soren R K.Nielsen Boundary element analysis of the steady-state response of an elastic half-space to a moving force on its surface［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2003，27：23-38.

［3］Rossi F，Nicolini A.A simple model to Predict train-induced vibration：theoretical Formulation and experimental validation［J］.Environmental Impact Assessment Review.2003，23：305-322.

［4］薛戰(zhàn)軍.展望中國高速鐵路發(fā)展的戰(zhàn)略意義［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（7）：55.

［5］冷景巖，崔維孝.高速鐵路CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2009（7）：53-55.

［6］高建.高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降控制研究［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2010.

［7］彭聲應(yīng)，張繼文，劉皖懷，等.高速鐵路CFG樁復(fù)合地基預(yù)制樁帽施工工藝研究［J］.鐵道建筑，2009（7）：86-87.

（編輯 胡志平）

High-Speed Railway CFG Pile Composite Foundation Settlement Influence Factors Analysis

Cui Gang
（Guiyang-Guangzhou railway construction conductor of China Railway 18 Bureau Group Co.，Ltd，Guizhou 550000，Guiyang）

Because of high bearing capacity and small settlement of CFG pile，CFG pile have been used widely in foundation treatment of engineering construction，but it has applicant in high-speed railway roadbed only in the initial stage.In this paper，based on the project of Beishahe of Hada high-speed rail，simulated with the finite element model by ADINA by changing the parameters of CFG pile and roadbed height in the situation of permafrost and unpermafrost of foundation，obtained the relationship of parameters and foundation settlement，it has the directive significance for high-speed railway with CFG pile composite foundation.

CFG pile；composite；high-speed foundation；finite element software of ADINA；sedimentation value

TU471

A

1674-4764（2013）S2-0170-03

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.044

2013-09-30

國家自然科學(xué)基金（50978131）

崔剛（1979-），男，高級(jí)工程師，主要從事交通土建方面研究，（E-mail）wwwlngdzp＠126.com。