CFG樁復合地基對橋頭基礎的沉降影響研究

趙雄飛

（湖北交投武松高速公路有限公司，湖北 武漢 430011）

1 CFG樁復合地基設計原則和加固機理

1.1 CFG樁設計原則

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁，是將碎石、砂、水泥等材料充分攪拌混合而成，并在樁頂設置碎石墊層或水泥土墊層共同形成復合地基，將地基上方的填土荷載或車輛荷載傳遞至深層地基中，常用于深厚軟土地基或橋頭地基等對路基沉降控制嚴格的路段[1]。

CFG樁在設計時不能盲目地參考類似工程，而是要結合項目的具體地勘資料進行設計，同時在設計時要遵循以下原則：第一，沉降滿足規(guī)范要求。經(jīng)CFG樁處理后的一般路段地基工后沉降小于30mm，涵洞及通道路段地基工后沉降小于20mm，橋頭路段地基工后沉降小于10mm；第二，經(jīng)濟性。設計人員在開展CFG樁復合地基設計時應在滿足工后沉降的基礎上，優(yōu)化樁參數(shù)，以減少樁長，節(jié)約工程造價；第三，CFG樁的尺寸要確保施工的可行性，盡量減少施工難度，降低對公路建設工期的影響。例如，CFG樁樁長不宜過長，樁間距不能過小，樁的彈性模量不能要求過高[2]。

1.2 CFG樁設計參數(shù)

（1）樁徑、樁長

振動沉管法成樁樁徑宜為350～600mm，鋼筋混凝土預制成樁的樁徑宜為300～600mm。

CFG樁處理橋頭地基時會存在有效加固長度，當超過該臨界長度時，再增加樁長對地基承載力提升程度不大且不經(jīng)濟。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30—2015）可知，CFG樁的最大樁長不得超過30m。

（2）樁間距

樁間距主要是影響橋頭地基的置換率m，從而影響CFG樁復合地基的承載力，計算公式如式（1）[3]：

式（1）中：d為CFG樁徑（mm）；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑（mm），其與樁的布置形式和樁間距s密切相關。當CFG樁呈等邊三角形布置時，de=1.05s；當CFG樁呈正方形布置時，de=1.13s。

（3）褥墊層

CFG樁頂應鋪設一層碎石或水泥土墊層等材料實現(xiàn)應力擴散，與樁體共同承擔上部荷載。褥墊層厚度宜取0.3～0.5m。褥墊層的粒徑不宜過大，材料最大粒徑通常不大于30mm。

黨的十九大報告中指出：“增強政治領導本領，堅持戰(zhàn)略思維、創(chuàng)新思維、辯證思維、法治思維、底線思維，科學制定和堅決執(zhí)行黨的路線方針政策，把黨總攬全局、協(xié)調(diào)各方落到實處?！盵1]決策是領導者的責任，也是領導工作的核心，貫穿于領導工作的各個方面，關系著事業(yè)的興衰成敗。在一個地方和單位，決策往往牽一發(fā)而動全身，領導干部級別越高，其決策的影響面往往越大。只有做到科學決策、民主決策、依法決策，在把握客觀規(guī)律的基礎上確定工作的目標和舉措，才能使工作真正得到長遠發(fā)展。

2 CFG樁復合地基加固機理和沉降計算方法

2.1 CFG樁加固機理

（1）樁體加固作用

CFG樁會和原土層形成復合地基，此時CFG樁可視作復合地基中的增加體，抑制土體的側向變形。由于CFG樁增強體的強度和變形模量遠大于樁間土層，承擔了大部分的上部填土荷載，提高了復合地基的承載力，降低了地基的工后沉降。

（2）擠密作用

原地面CFG樁在施工期間會受到一定程度的振動和沖擊，使土顆粒間的孔隙被壓縮，孔隙比降低，土體體積減小而變得更加密實，這也會提高土體的壓縮模量，以降低地基沉降。

（3）排水固結作用

在填土或車輛荷載等外部荷載作用下，地基中的水會不斷排出，超孔隙水壓力會不斷消散。而水泥粉煤灰碎石樁一般透水性較好，可作為地基土的排水通道，這樣會縮短排水距離，加快軟弱土層的固結沉降，從而提高土體的有效應力和有效抗剪強度。此時，在相同附加應力作用下，復合地基壓縮變形會比未處理前有一定程度的降低。

2.2 CFG樁復合地基沉降計算

（1）壓縮模量法

壓縮模量法是一項傳統(tǒng)的復合地基沉降計算理論，公式簡單，計算參數(shù)較少，計算精度也能滿足工程需求。壓縮模量法計算沉降就是將水CFG樁復合地基的加固區(qū)和非加固區(qū)視為一個整體，模量采用復合壓縮模量（樁體壓縮模量和土體壓縮模量的加權值），再利用分層總和法求出各層土的沉降，最后將各層土的變形量求和得到總沉降[4]，見式（2）：

式（2）中：Hi為第i層土分層厚度（m）；ΔPi為第i層土附加應力（MPa）；Espi為第i層土當量壓縮模量（MPa）。

（2）有限元法

隨著計算機技術進步和有限元理論的不斷成熟，有限元法在橋頭復合地基沉降中的應用更加廣泛。有限元法計算精確度高，能充分考慮復雜的地質(zhì)情況和材料特性。利用有限元法計算CFG樁復合地基沉降時，常見的軟件有ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等，大多是將地基土視作非均質(zhì)材料，將其劃分成若干個分段，并在施加荷載和邊界后分別求出各個分段的正應力、剪應力、變形等，最后輸出CFG樁復合地基總沉降。

3 CFG樁復合地基沉降計算實例分析

為準確分析CFG樁對橋頭軟弱土地基的加固效果，筆者以某高速公路項目為依托，利用有限元軟件MIDAS/GTS建立二維平面計算模型，分析了CFG樁加固前后的橋頭地基的沉降變化規(guī)律，以評價CFG樁復合地基的處治效果。

3.1 工程概括

研究對象為雙向六車道高速公路，設計速度為120km/h，路基寬度為34.5m，沿線存在大面積的軟土地基且軟土厚度較大。為減輕橋頭跳車現(xiàn)象，設計人員擬對某大橋的橋頭地基范圍內(nèi)采用CFG樁進行處治，如圖1所示。CFG樁的設計參數(shù)為：CFG樁的直徑為0.5m，采用正方形布置，樁間距為1.2m，樁長為變量，應結合地勘資料和沉降計算結果確定，處治范圍是坡腳外1m。

圖1 CFG樁處治橋頭地基示意圖

3.2 橋頭地基計算模型建立

3.2.1 定義材料屬性

材料屬性是影響橋頭地基沉降的關鍵參數(shù)，但材料屬性較多，因此在對材料參數(shù)賦值時，應進行適當簡化，可只定義材料密度、壓縮模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

為提高計算的精確度，利用軟件進行網(wǎng)格劃分時應盡量采用實際設計尺寸，對CFG樁及加固區(qū)范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格進行適當加密（尺寸取0.3m），而對非加固區(qū)內(nèi)的土體網(wǎng)格可以稍微大一些，網(wǎng)格尺寸取1m，共劃分出3824個單元、4218個節(jié)點[5]。

3.2.3 施加約束及荷載

利用MIDAS中的load模塊對橋頭地基兩側施加側向約束，僅可發(fā)生豎向壓縮；模型底面進行X、Y、Z三個方向的全約束，不能移動；模型頂面為自由邊界，可以在空間內(nèi)任意變形。

3.3 CFG樁復合地基沉降計算結果分析

分別計算了樁長24m、28m、30m、32m、36m時CFG樁復合地基的沉降量，如圖2所示。

圖2 不同樁長下CFG樁復合地基沉降值

由圖2可知，在相同荷載作用下，隨著CFG樁樁長的增加，橋頭地基的沉降不斷減小，但減小速率并不是固定的。當樁長超過32m，地基沉降減小幅度開始減緩，這說明CFG樁的樁端已經(jīng)到達良好的持力層。

4 結論

本文探討了CFG樁復合地基的設計參數(shù)、加固機理、沉降計算等，主要得到以下幾方面結論：（1）CFG樁復合地基的樁長、樁間距、樁徑等設計時應結合地勘資料和沉降計算結果，遵循經(jīng)濟性、方便施工等原則；（2）CFG樁的加固機理包括樁體加固作用、擠密作用、排水固結作用，沉降計算方法主要有壓縮模量法、有限元法等；（3）橋頭地基的沉降會隨著樁長的增加不斷減小，當樁端到達持力層后其速率會降低。