王操，时贞祥，刘大鹏，罗浩天，李国栋

（1.中国电建市政建设集团有限公司，天津300384；2.山东大学土建与水利学院，济南250061）

1 引言

我国幅员辽阔，海岸线较长，在沿海一带形成了有一定规律分布，同时性质差异较大的软土分布区域。 相对一般的软土而言，海域滩涂软黏土的含水率更高，抗剪强度很低，土体孔隙比大，压缩性高，受施工扰动后会发生很大的沉降变形[1-2]。为此， 公路铁路建设中软土地基处理大量采用桩体较强的CFG 桩进行加固。 然而，采用CFG 桩处理受潮汐动水压力作用的内海滩涂软土时，会对周边软土有挤压、扰动破坏作用，同时潮汐作用导致内海滩涂软土内的孔隙水压力处于动态变化，这些都会大大降低CFG 桩的完整性和承载能力，增大了CFG 桩施工难度，无形中增加了建设成本，延误了施工进度。进行路基填筑时，CFG 桩有可能会出现剪切、倾斜和弯曲的破坏现象，并且呈现多米诺骨牌的效应，使路基快速产生外挤、下沉和开裂变形的破坏，导致公路路基无法满足使用要求[3-4]。虽然随着CFG 桩技术的不断发展和完善，已有相当多的成功运用的工程实例， 它们在处理具有软弱性土质的承载力和沉降方面都取得了很好的效果，但是CFG 桩技术理论发展相对有些滞后，尤其在我国东部沿海城市，不仅广泛分布着海相淤泥质地层，而且还要受到海洋潮汐往复地循环动荷载作用[5-6]，在这样复杂的潮汐区淤泥质地层之中开展CFG 桩施工建设难度极大，且无成熟的技术理论支持和参考。

为此，本文通过建立潮汐区淤泥质基础CFG 桩施工的数值计算模型，开展潮汐区淤泥质基础CFG 群桩施工质量特征研究，为潮汐区淤泥质基础CFG 桩施工质量控制方法提供重要的技术理论。

2 数值模拟

2.1 工程概况

福鼎市滨海大道是城市南北向重要的交通走廊， 是福鼎老城区和海湾新城、点头、白琳组团重要的交通干道，线路全长10.69km。 其中，K0+710～K0+800、K0+820～K0+985、K1+020～K1+522、K1+542～K1+820 段为水泥粉煤灰碎石桩软基处理。在CFG 桩施工前需清淤换填海砂0.5 m， 然后填筑海砂平台至3.5 m 标高，当CFG 桩施工完毕后，进行反开挖施工做桩帽隔梁及褥垫层。 海砂平台与CFG 桩组成复合地基，为路基稳定性提供保障。 海域段原地面高程平均为-0.5 m，海砂平台填筑高度约4.5 m，填筑量246 581 m3，清淤换填总量37 936 m3，沉降补偿总量37 936 m3。 CFG 桩处理区域地段属典型海相冲淤积地貌，广泛分布有软土层（淤泥），地形变化小，地势较平缓。 该段基底土层为淤泥层，属典型软土路基，土层压缩性高，承载力低，稳定性差。

2.2 数值计算模型

该工程按城市主干路标准建设，设计速度50 km/h，双向四车道，普通路段路宽40 m，海堤路段路宽48 m，路面采用沥青混凝土路面。地基斜面坡度为1∶1.5，内海与外海有明显水位差。根据受力情况将地基土体与CFG 桩模型进行简化，如图1所示，建立CFG 桩施工地基模型，其中地基顶面宽度D1=40 m，底面宽度D2=60 m，深度H=15 m，CFG 桩直径d=0.6 m，埋深h=10 m。 地基土体划分为1 562 400 个单元，每个CFG 桩划分为168 个单元，为20 结点含孔隙压力的六面体单元，二次位移，线性孔隙压力，减缩积分，横向纵向桩间间距1.5 m。

图1 地基土体模型图

通过对现场土样进行室内试验，得到土体基本力学参数，采用修正Drucker-Prager 帽盖模型进行模拟， 其中弹性模量Es=100 MPa，干密度ρd=1 800 kg/m3，黏聚力c=80 kPa，屈服面倾角β=30°，帽盖离心率0.1，过渡表面半径0.03，流动应力比K=1， 渗透系数k=2.5×10-10 m/s， 初始孔隙比e0=2， 采用C3D20R 孔隙流体/ 应力单元类型。 桩体采用弹性模型，弹性模量Ep=15 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，采用C3D20R 三维应力单元类型，桩土之间的摩擦系数μ=0.7，通过膨胀模拟CFG 桩对地基土体挤压作用，膨胀系数α=1×10-5。

3 CFG群桩施工特征分析

3.1 起始临桩施工特征分析

图2、 图3 分别给出了起始临桩CFG 桩施工引起的地基水平和竖向位移。 由图2 和图3 可知：（1）土体受CFG 桩灌注挤压，周边土体向四周进行扩展；其中CFG 桩两侧的水平位移呈现CFG 桩顶部膨胀较大， 在地基土体表面有较大的影响，同时随着埋深的增加，水平位移影响范围也下降为最小。（2）CFG 桩施工后地基土体竖直位移变化水平位移变化相似，其中CFG 桩两侧的竖直位移呈现CFG 桩顶部膨胀较大，在地基土体表面有较大的影响，具体表现为影响范围较大，且竖直位移大小较为明显，同时随着埋深的增加，竖直位移快速下降，达到最低值，影响范围也下降为最小。

图2 地基水平位移剖面云图（单位：m）

图3 地基竖直位移等值面图（单位：m）

3.2 单排桩施工特征分析

图4 给出了单排CFG 桩施工引起的竖向位移。 由图4 可知：CFG 桩在施工过程中不仅影响周边土体，还对较远处的土体有影响，周边土体中土体顶部最大，呈现半椭圆球形，随着埋深的增加逐渐降低，在CFG 底部有一处影响较为均匀的区域，沉降分布较为相同。

图4 地基沉降等值面图（单位：m）

3.3 双排桩施工特征分析

图5、 图6 分别给出了双排CFG 桩施工引起的地基水平和竖向位移。 由图5 和图6 可知：（1） 当地基土体打入两排CFG 桩时，与单排CFG 桩施工后水平位移变化相似；（2）双排CFG 桩在施工过程中不仅影响周边土体， 还对较远处的土体有影响，周边土体中土体顶部最大，呈现半椭圆球形，随着埋深的增加逐渐降低，随着埋深达到CFG 桩底部后，有一个较为明显的等值球形。

图5 地基水平位移等值面图（单位：m）

图6 地基数值沉降等值面图（单位：m）

4 结论

CFG 桩技术虽然已在处理具有软弱性土质的承载力和沉降方面取得了很好的效果，但是CFG 桩技术理论在我国东部沿海城市潮汐区淤泥质地层之中开展施工建设难度仍然极大，且无相关技术理论支持和参考。 为此，基于数值计算分析方法，建立了潮汐区淤泥质基础CFG 桩施工力学模型，通过开展潮汐区淤泥质基础CFG 群桩施工质量特征研究，主要研究结论如下：

1）CFG 桩对下部淤泥黏土影响随深度变化逐渐降低；

2）CFG 桩单排桩施工后，CFG 桩两侧的竖直位移呈现CFG 桩顶部膨胀较大，而在CFG 底部沉降分布较为相似；

3）CFG 桩双排桩施工后，CFG 桩不仅影响周边土体，还对较远处的土体有影响。