基于均衡沉降控制的公路软基CFG桩方案优化

基于均衡沉降控制的公路软基CFG桩方案优化

李强

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司安徽合肥

摘要：为了增强CFG桩处治软土路基方案的合理性，使不同工况下的软基沉降达到均衡，建立三维有限元数值模型对路基横断面方向沉降进行计算，得出了横断面方向路基沉降变化规律，并对比分析了不同CFG桩平面布置方案的复合地基承载力，确定了基于均衡沉降控制的软基CFG桩处治方案。结果表明，路基高度为3～8m时，路肩处沉降量是路基中心沉降量的47%～77%，坡脚处沉降量是路基中心沉降量的0.4%～0.7%，对地基进行CFG桩加固处理时，边坡部分CFG桩间距可以适当加大，达到地基承载能力的平衡，CFG桩平面布置方案调整后，复合地基承载力能够满足要求，综合考虑地基变形均衡性和工程方案经济性，采用CFG桩加固地基时，路肩到坡脚范围内桩间距可增大0.5m。

关键词：道路工程；CFG桩；软土路基；方案优化

导言

新建及改扩建高速公路修筑后，较普通路基路段，其软土路基路段会产生较大沉降，当处治措施不当时，往往会产生较大的路基差异沉降，进而造成路面开裂，影响道路的使用寿命[1~4]。采用水泥粉煤灰碎石（CFG，cementfly-ashgravel）桩的复合地基能较好地解决路基不均匀沉降的问题。CFG桩较其他类型桩体在成桩质量、处理深度和承载能力等方面有较大提高，目前广泛应用于高速公路软土地基加固、桥头深厚软基处理、路基加宽扩建处理等处治措施，工程效应和社会效应明显。但是在目前的CFG桩处治公路软基的研究中，较多地集中在对沉降量和承载力的计算方法等方面，未见可供参考的公路软基处治差异沉降量标准，对公路软基处治方案的制定多依靠以往的工程经验。本文利用ANSYS有限元分析软件，分析桩间距、桩长和桩身模量与CFG桩处治公路软基沉降量的关系，制定CFG桩处治公路软基布置方案评价标准。

1建立模型

利用ANSYS有限元分析软件，建立采用CFG桩处治公路软土路基的有限元模型，针对桩间距、桩长和桩身模量，对有限元模型进行分析，分析各影响因素与路基顶面最大沉降量的关系。该模型假定路基土为弹塑性体，CFG桩桩体为线弹性体，模型材料均满足均匀性和各项同性的假设，路基底面与地基表面之间、CFG桩桩体与桩间土之间为完全连续，路基横断面方向设置为自由端，纵断面方向对水平位移进行约束，地基底面部分对所有位移进行约束。路基土体承受荷载为其自重。

采用3种工况对CFG桩处治公路软基沉降进行分析，各工况地基模型尺寸：工况1为60m×30m×15m，路基填高为6m；工况2为60m×30m×30m，路基填高为6m；工况3为60m×30m×40m，路基填高为6m。

2CFG桩对公路软基沉降的影响分析

分别考虑不同桩间距、桩长和桩身模量等因素，分析各因素对公路软基顶面最大沉降量的影响规律。

2.1CFG桩桩间距对公路软基沉降的影响

CFG桩桩间距取值分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m，桩径取值为0.5m，桩长取值为15m。通过对3种不同工况进行计算，路基顶面最大沉降量随桩间距变化曲线。

1）桩间距对CFG桩处治公路软基沉降量控制效果明显。路基顶面最大沉降量随着桩间距的增加而增加，且沉降量与桩间距的关系曲线随着桩间距的增大，其斜率逐渐增大，说明路基顶面的最大沉降量随着桩间距的增加增速加快。

2）当桩间距较小时，沉降量增加相对较小，在桩间距＜2m时，桩间距每增加0.5m，沉降量增加≤2cm，当桩间距＞2m时，沉降量增加均＞2cm，说明随着桩间距的增加，沉降量增加较快，不能满足路基沉降变形的要求，调整桩间距的大小对控制路基顶面最大沉降量的效果变差。

3）由于桩间距是影响CFG桩复合地基沉降控制效果的主要因素，因此控制CFG桩的桩间距即可有效的控制公路软基沉降量。

2.2CFG桩桩长对公路软基沉降的影响

针对3种不同工况，由于各土层厚度及参数不同，CFG桩桩长取值分别为工况1：10、12、13、15m，工况2：14、15、16、17m，工况3：13、14、15、16m，桩径取值为0.5m，桩间距取值分别为1.5、2.0、2.5m。通过对3种不同工况进行计算，路基顶面最大沉降量随桩长变化曲线。

1）CFG桩桩长对路基顶面最大沉降量的影响较大。随着桩长的增加，路基顶面最大沉降量呈现逐渐减小的趋势，且减小的速率逐渐减小。当桩长小于一定长度时，即工况1＜12m，工况2＜15m，工况3＜14m时，沉降量变化幅度相对较大；当桩长大于此长度时，沉降量变化幅度相对较小。

2）从路基土层厚度及路基土参数可以看出，当CFG桩桩长穿透软土层后，路基顶面最大沉降量的减小速度变慢，因此，确定CFG桩桩长时，只需桩下端穿透软弱土层，到达持力层即可。

2.3CFG桩桩身模量对公路软基沉降的影响

CFG桩桩身模量取值分别为25、50、75、100、125、150MPa，桩径取值为0.5m，桩间距取值为1.5m，桩长取值为15m。通过对3种工况进行计算。

1）CFG桩桩身模量对路基顶面最大沉降量产生一定的影响。路基顶面最大沉降量随着桩身模量的增加逐渐减小，且减小的趋势由快变慢，这一变化规律随着桩身模量的增加愈加明显。

2）当桩身模量＜50MPa时，在3种工况下路基顶面的最大沉降量均较大，当桩身模量增加后，路基顶面最大沉降量减小，且减小幅度较大，说明在桩身模量＜50MPa时，控制桩身模量的大小对路基顶面最大沉降量影响较大；而当桩身模量＞100MPa时，桩身模量的变化对路基顶面最大沉降量的影响很小。

3）当桩身模量＞100MPa时，改变桩身模量对路基顶面最大沉降量的控制效果很小，同时还会造成施工成本和施工难度的增加，因此，可根据施工现场的情况选择桩身模量为50~100MPa的桩体。

3CFG桩处治公路软基沉降控制标准

根据以上计算结果分析，影响CFG桩处治公路软基沉降控制效果最显著的因素是CFG桩平面布置的桩间距。为制定公路软基CFG桩处治方案，确定合理的CFG桩桩间距是十分重要的。利用CFG桩处治公路软基有限元模型对3种工况下不同桩间距的CFG桩路基沉降量进行计算。CFG桩桩间距取值分别为：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m，桩径取值为0.5m，桩长取值为15m。由上述计算结果可知：在3种工况下，当桩间距＜1.5m时，路基顶面最大沉降量均＜20cm；桩间距＜2.5m时，路基顶面最大沉降量均＜25cm，且3种工况下不同桩间距的路基顶面最大沉降量增加趋势基本相同。在实际工程应用中，通常在公路软土路基段设置处治段和过渡段对公路软基进行处治，减小公路软基段沉降量及各路段之间的差异沉降量。为制定合理的CFG桩平面布置方案，根据计算结果，分别对3种工况的各个桩间距进行两两组合，并计算出各桩间距组合间的差异沉降值。对不同CFG桩桩间距的差异沉降值进行计算分析，得出3种工况下CFG桩桩间距组合间的差异沉降值，3种工况下相同桩间距组合时的差异沉降值差别不大，因此取平均值作为控制公路软基均衡沉降的标准。实际工程中，根据工程设计和施工对CFG桩处治公路软基差异沉降的要求，可以参考桩间距组合差异沉降值，确定CFG桩处治公路软基的具体桩间距布置形式，使得软基处治段、软基过渡段和普通路基段实现。

结束语

1）路基顶面最大沉降量随着CFG桩桩间距的增加而逐渐增大，且增加速率逐渐增大。当桩间距＞2m时，CFG桩处治公路软基效果减弱。桩间距相对其他因素对路基沉降影响最大，因此将对桩间距的控制作为CFG桩处治公路软基沉降标准。

2）路基顶面最大沉降量随着CFG桩桩长和桩身模量的增加而逐渐减小，且减小速率逐渐变小。当CFG桩穿过软弱土层后，增加桩长对减小路基顶面最大沉降量的作用很小；当桩身模量＜50MPa时，桩身模量对路基顶面最大沉降量影响较大；而当桩身模量＞100MPa时，桩身模量对路基顶面最大沉降量的影响很小。因此，最佳的CFG桩桩身模量范围为50~100MPa。

3）根据工程中对公路软基沉降差的要求，可采用不同桩间距组合，依据公路软基沉降控制标准，使得公路软基处治实现均衡沉降，提高行车舒适性和安全性。

参考文献（References）

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