京沪高速铁路CFG桩复合地基沉降性状分析

时间：2024-07-28

陈鼎，崔红琴，屈海军，雷金山

(1.中南大学土木建筑学院，长沙 410075;2.中铁十二局集团七公司，长沙 410074)

陈鼎1，崔红琴2，屈海军2，雷金山1

(1.中南大学土木建筑学院，长沙 410075;2.中铁十二局集团七公司，长沙 410074)

针对京沪高速铁路典型地质条件的CFG桩加固路段，采用FLAC3D有限差分程序，模拟路基的填筑过程，将桩和土按不同的材料考虑，计算CFG桩加固后路基的沉降，并与实测沉降比较，验证了计算模型的可行性。利用该模型分析了不同桩长、桩间距对沉降的影响，并根据其路基沉降量，得到了该路段CFG桩的合理桩长与桩距。

CFG桩复合地基 FLAC3D 数值分析沉降

1 工程概况

京沪高速铁路滁州段里程DK937+580～DK937+695段地基采用CFG桩加固处理，设计桩长4.0 m，桩径0.5 m，桩间距1.8 m。根据设计资料，该路段断面附近地基地层情况由上往下依次为:素填土、粉质黏土、全风化千枚岩、强风化千枚岩、弱风化千枚岩。根据施工图设计要求，桩顶铺0.6 m厚的碎石垫层，内铺两层双向土工格栅。该路段路堤填筑高度为5.55 m，路堤本体采用A、B组填料填筑，基床表层0.4 m采用级配碎石，如图1所示。

图1 京沪高铁DK937+680路基设计剖面(单位:m)

2 建立数值计算模型

本文采用有限差分程序FLAC3D进行模拟分析。为使问题简化，在选择计算模型时假设同种材料为均匀、各向同性体，路堤和地基岩土采用摩尔—库仑弹塑性模型，桩体和土工格栅分别采用桩和土工格栅结构单元[1-7]。结合试验及参考文献[8]，得出计算参数如表1和表2所示。

表1 DK937+680剖面设计及计算参数

表2 CFG桩和土工格栅的计算参数

考虑路基的对称性，取半幅地基和路基结构进行分析。计算范围:竖向取15 m，大于加固体高度的两倍，横向取31 m，超过路基底面宽度的两倍。边界约束条件为:在地基土的下部边界因远离桩体，荷载影响甚微，视为无位移的固定边界，中心对称面和侧面各节点限制水平位移，表面为自由边界，模型的网格划分如图2所示。

图2 路基沉降分析模型网格单元划分

3 CFG桩对沉降的影响

3.1 计算与实测沉降对比

根据实际填筑状况，对路堤分层填筑的施工过程进行模拟，总填筑高度为5.55 m，现场施工每层的填筑高度为0.30 m。数值计算结果与现场实测数据对比如图3所示。从图3可以看出路基沉降的数值模拟结果比实测要略大一些，实测结果不断趋近于数值模拟结果，这是因为路基沉降实际上是随时间推移会继续产生蠕变变形，而本次数值计算模型没有考虑时间效应，所计算出的沉降即为路基的最终沉降。尽管数值分析结果与现场实测数据存在一定的误差，但二者在最终数值上还是比较接近的。可见，本模型能很好地反映路基沉降的变化过程。

图3 数值分析结果与现场实测数据对比

3.2 不同桩长对沉降的影响

CFG桩复合地基桩长是控制路基沉降量主要的因素之一，桩越长地基的加固效果就会越好，而桩长过长从经济的角度考虑又是不合理的，所以要选定合适的桩长使其既能满足地基变形要求，且经济合理。实际设计资料中CFG桩桩间距1.8 m，桩径为0.5 m，现在分别选择桩长为3 m、4 m、5 m、6 m进行计算，分析路基的沉降变形情况。

图4为不同桩长路基底面的沉降曲线，从中可以看出，随着桩长的增加路基的沉降在逐渐减小，同时两相邻桩长在同一位置处的沉降差值随桩长的增加而变小，即沉降曲线随着桩长的增加逐渐密集，说明沉降随桩长的增加，沉降减小幅度也逐渐减小。因此，当要求沉降控制在一定范围内时，考虑到经济的因素，可以选取某一长度作为设计桩长。

图4 不同桩长路基底面的沉降曲线

图5为不同桩长路基中心面处沿深度分布的沉降曲线，图上显示路基的沉降量随桩长的增加而显著减小，说明桩长对控制路基沉降起着非常重要的作用。在深度7 m之后，不同桩长的沉降都基本一致，从地质资料来看，该处已达弱风化千枚岩层。

为了便于分析沉降随桩长的变化，图6给出了不同桩长在路基底面中心处的沉降变化曲线，可以看出，桩长＜5 m时比桩长＞5 m时的沉降变化斜率大。这是由于桩长5 m的桩端落在千枚岩层上，而桩长＜5 m的桩端均落在压缩性相对较大的粉质黏土上，所以，桩长＜5 m的沉降变化较桩长＞5 m的要大。因此，在选择桩长的时候应综合考虑地质条件和经济效果，桩端尽量落在强度较好的土层上，把沉降控制在规定范围。

采用三次多项式拟合沉降随桩长变化的趋势线，对拟合曲线求解二阶导数，进行单调性和增减性分析如下:

图6 不同桩长在路基底面中心处的沉降变化曲线

当二阶导数y″=0时，可计算得到x=4.667，说明当桩长＞4.667 m时，路基沉降随桩长增加速率减缓。在本文中，一阶导数 y′(x=4)＞ 0，y′(x=5)＞ 0，y′(x=6)＞0，说明在区间(3，6)内，沉降值随桩长单调递增(即沉降随桩长增加而减少)，且拟合曲线拐点就在该区间中取值。结合本文所研究路段的地质情况，取合理桩长为5 m，即桩端打入风化岩层顶面。

3.3 不同桩间距对沉降的影响

CFG桩复合地基中，桩间距是控制沉降的又一重要因素。该施工段CFG桩在平面上的布置形式为矩形布置，桩直径为500 mm，不同桩距的变化会影响复合地基的置换率，从而影响地基变形的性状。桩距太大不能发挥其控制沉降的作用，桩距太小一则不经济，二则增加施工难度。通常桩距取3～5倍桩径进行设计施工。在设计桩长为4 m的基础上，选取桩距分别为 1.4 m、1.6 m、1.8 m、.0 m、2.2 m 进行路基沉降计算，分析桩距的变化对地基变形的影响。

图7 不同桩间距路基堤底面的沉降曲线

图8 不同桩间距路基中心线处沿深度分布的沉降曲线

图7为不同桩距路基底面的沉降曲线，图8为不同桩距的情况下，路基中心线处沿深度分布的沉降曲线，与不同桩长时的沉降情况相同，增加桩数之后，随着桩距的减小路基的沉降也随之减小，地基得到了良好的加固效果。但是，路基底面沉降曲线随着桩距的增加逐渐变得密集，说明沉降随桩距的减小，沉降减小幅度也在不断减小。同样地，从经济角度看存在某一桩距是比较合理的。

图9为路基底面中心处沉降量随桩间距的变化曲线，采用二次多项式生成了沉降随桩长变化趋势拟合曲线:

由曲线的变化趋势可以看到，随着桩间距的减小，沉降也在逐渐减小，但是在桩间距＜1.8 m之后，沉降曲线的斜率逐渐减小，说明减小桩间距的效果在减弱。虽然桩距取值较小时，会明显小于在较大桩距时的沉降，但受施工限制而不可能把桩距设计得太小。因此，在桩距设计时，应综合考虑加固效果、施工与经济三方面因素，结合以上的计算分析，建议本路段CFG桩桩距取1.8 m，这与实际设计的桩间距也是相吻合的。

图9 不同桩间距在路基底面中心处的沉降变化曲线