蒋宗全，曹玉新，马耀先，曲宏略，朱浩波

(1.中国水电集团，北京 100048;2.西南交通大学，成都 610031)

0 引言

CFG桩复合地基是由中国建筑科学研究院地基所在碎石桩基础上开发的新技术，并已应用于工程实践。与浅基础、桩基础相比较，CFG桩复合地基的研究在理论上还不成熟，落后于工程实践，其承载力和沉降计算理论正在发展之中［1］。目前，关于复合地基沉降的计算方法有很多，总的来说，可分为数值分析和简化计算两大类。其中有限元数值分析法能较好地反映复合地基中桩、土间的相互作用及桩、土材料的非线性特性，在进行沉降分析时具有很大的优越性。近年来很多工程技术人员已经开始采用有限元法对CFG桩复合地基的承载力、沉降进行分析模拟，并取得了很多有价值的成果［2］。

CFG桩复合地基能有效减小地基沉降，作为一种手段，它已在地基处理中得到广泛的应用。很多工程中，为了增加CFG桩的受荷面积，在CFG桩桩顶设置桩帽或设置筏板。筏板一般采用钢筋混凝土板制作，造价较高。本文以新建铁路曲阜站复合地基的沉降分析及评估为背景，通过二维有限元程序PLAXIS，对曲阜站复合地基的沉降进行了系统分析及研究，提出了用设置桩帽的CFG桩代替筏板CFG桩的建议，并论证了这个建议的可行性。

1 工程概况

曲阜站 DK531+971.43—DK534+400位于冲积平原之上，地形较为平坦。地层分布从上至下为:粉质黏土，厚0～3.4 m;黏土，厚0～4.8 m;中砂，厚0.2～2.0 m;以下为粉质黏土，褐黄色。地下水埋深为2.55 m左右，地下水对混凝土结构不具侵蚀性。

曲阜站的路基填土高为8.0 m，地基采用CFG桩加固，CFG桩桩径为0.5 m，路基基底中部为筏板CFG桩，桩顶设置厚0.5 m的C30钢筋混凝土板，板下CFG桩为正方形布置，桩长30 m，桩间距1.5 m。基底两侧采用带桩帽的CFG桩，桩顶铺设0.6 m的碎石垫层，桩长25 m，桩纵向间距1.6 m，横向间距1.5 m。碎石垫层内设置高强度的土工格栅，堆载预压土体高3.5 m。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

本文采用PLAXIS二维有限元分析软件。根据设计图纸的几何尺寸对曲阜站复合地基和路基填土进行数学建模。网格的基本单元类型采用15节点的三角形单元。CFG桩、钢筋混凝土筏板及桩帽的力学行为用线弹性模型模拟，地基土用Mohr—Coulomb模型模拟。CFG桩、筏板及桩帽采用板单元模拟。为了模拟桩—土之间的相互作用，在桩与土之间设置接触单元。分析中，由于高强度土工格栅的作用相当于在垫层中加筋，计算中垫层采用线弹性模型［3］。地下水位设置在地基面下2.55 m处。路基填土分为四层填筑，每层填筑2 m，单层施工工期为7 d。堆载预压土体分两次预压，第一次预压土体高1.5 m，第二次预压土体高2 m。

为了降低边界条件的影响，设置边界条件为:竖直方向延长1倍桩长，水平方向延长4倍路基填土高度。由于地基土的下部和左右边界远离桩体，因此可视为无位移的固定边界。有筏板和带桩帽的CFG桩复合地基模型见图1和图2。

图1 有筏板CFG桩复合地基模型

图2 有桩帽的CFG桩复合地基模型

2.2 模型计算参数

本次计算主要以DK532+548断面工程资料为依据。根据施工单位提供的土工参数，列出模型使用参数，见表1。

3 计算结果及分析

路基沉降云图如图3和图4所示，路基面、地基面的竖向位移及路基坡脚的水平位移对比曲线如图5、图6和图7所示。

表1 土层参数

图3和图4显示，路基中心线处，路基表面的沉降达到了最大值，随距路基表面距离的增加，沉降逐渐减小。由于筏板CFG桩加固造价较高，且浇筑施工过程繁琐，基于简化施工工艺、降低成本的目的，本文分析比较了用带桩帽和带筏板的CFG桩加固地基后对地基沉降的影响。分析发现，用带桩帽的CFG桩加固的地基沉降范围大于用带筏板的CFG桩加固的地基沉降范围，两者沉降云图均为对称分布，符合对称模型的特点。结果显示，带筏板的CFG桩复合地基的总沉降是4.15 cm，带桩帽的CFG桩复合地基的总沉降是4.44 cm，两者相差0.29 cm，说明两种加固措施所达到的效果基本相同。

图6显示，随着施工天数的增加，地基面的沉降随之增大，而沉降速率在不断减小，带筏板和带桩帽的CFG桩复合地基在位移的发展趋势上基本相同，说明路基已基本完成施工期沉降过程。卸载后，两者均产生回弹，回弹趋势基本相同。

图5和图6显示，在堆载完全预压之后，两者在路基顶面和地基面的沉降相差4 mm左右，说明沉降主要由地基引起，其沉降约占总沉降的90%左右，而路基部分由于填料具有较好密实度和强度，沉降相对较小。

图3 用筏板CFG桩加固的路基沉降云图

图4 用桩帽CFG桩加固的路基沉降云图

图7显示，带筏板的CFG桩和带桩帽的CFG桩复合地基在坡脚处的水平位移随施工天数的增加发展趋势基本相同，最大水平位移在1 mm左右，表明在施工过程中路基边坡是稳定的［4-6］。

图5 两种CFG桩复合地基路基面竖向位移对比

4 结论

图6 两种CFG桩复合地基地基面竖向位移对比

图7 两种CFG桩复合地基路基坡脚处水平位移对比

通过比较曲阜站带桩帽和带筏板的CFG桩复合地基的加固效果发现，两种加固措施产生的最终沉降相差较小，表明这两种措施的加固效果相当，其次通过比较加固后复合地基在坡脚处的水平位移变化发现，坡脚水平位移较小，表明在施工过程中路基边坡是稳定的。从上述研究结果得到对深厚软基进行加固时，可用带桩帽的CFG桩代替带筏板的CFG桩，可达到降低成本的目的。

［1］刘成宇.土力学［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］阎明礼 张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践［M］.中国水利水电出版社，2001.

［3］马秉务.CFG桩复合地基三维有限元分析及优化设计［J］.西部探矿工程，2009(6):20-23.

［4］丁铭绩，王连俊.高速铁路软土复合地基路基的位移数值计算分析［J］.铁道勘察，2007(3):17-20.

［5］熊昌盛，张佰战，董承全，等.CFG桩桩身完整性与承载力检测技术［J］.铁道建筑，2008(2):71-73.

［6］彭志鹏.CFG桩处理中等压缩性土地基试验研究［J］.铁道建筑，2009(7):13-18.