论文部分内容阅读
摘 要：为了研究CFG桩参数对公路路基最终沉降值的影响规律，本文以328国道镇江段为研究对象，借助FLAC 3D有限元计算软件，建立不同对比条件下实例工程路基沉降的三维模型。经过计算分析，沉降值与桩长成反比、与桩间距成正比。同时综合各方案沉降值计算结果和造价，推荐桩长取7.0 m、桩间距取2.0 m。在该方案下，实例工程最大沉降值为2.55 cm，满足要求。
关键词：CFG桩;路基沉降;三维有限元计算;桩体参数
0 前言
快速化公路是现代综合交通运输体系的组成部分之一，是国家经济发展的基础支撑。根据“十三五”规划，至2025年末，我国现代快速化公路网将基本覆盖长江中下游地区以及华北大部分片区，届时，总建设里程数量将突破12万公里[1]。快速公路由于车辆荷载大、荷载密集，将导致路基中土体的孔隙水压力大幅上升，产生塑性变形;由于快速公路路面的动荷载长期、循环传递至路基土体，引起土体塑性变形不断累积，发生路基沉降现象。
本文以328国道镇江段为研究对象，研究区域软土地基以淤泥质粉质黏土、软黏土为主，经分析选择CFG刚性桩进行加固处理。本文借助FLAC-3D有限元软件，通过建立三维数学模型，系统地分析桩长和桩间距对路基沉降的影响。
1 工程概况
312国道镇江城区段改线工程为一级公路标准，设计速度100 km/h，主线双向六车道，城镇路段两侧设置非机动车道和人行道，项目起点在现312国道谢巷村南侧，与谷阳湖路交叉处，顺接规划中的306省道，终点位于312国道与通江路交叉处，兼顾快速通行及地方疏通功能。主线长23.052 km，起点至243省道段采用城镇断面，路基宽度为58.0 m，横断面形式为：中间带11.0 m（含两侧路缘带），行车道2×3×3.75 m，侧分带2×2.0 m（含路缘带），辅道2×7.0 m，人行横道2×2.75 m。243省道至终点采用一般一级公路断面，路基宽度33.5 m，横断面形式为：中间带3.5 m（含路缘带），行车道2×3×3.75 m，硬路肩2×3.0 m（含路缘带），土路肩2×0.75 m。一般路段路面横坡为2.0%，土路肩横坡为4.0%。项目永久征地2 541.3亩，桥梁15座，互通式立交5处（其中3处预留），分离式立交2处。
项目区主要软（弱）土主要为1-2层软土及1-2a层软弱土。其中，1-2层软土土性为淤泥质粉质黏土，灰褐色、灰色，流塑状态，局部为软黏土，土质不均，夹粉土薄层，具高孔隙比，高压缩性。1-2a层软弱土土性主要为软粉质黏土，该层主要为粉质黏土夹粉砂互层状分布，灰色，软塑，中等偏高压缩性，土性欠均匀，呈透镜体状夹于1-2层之中。实例工程选择CFG刚性桩进行加固处理。
2 CFG桩受力特性和变形特性分析
设桩与土收到的上部荷载为。在深度以上区域，桩体位移小于土体，此区间内上部荷載主要由土体承担，因此，土体对桩的摩擦力方向竖直向下。在深度以下区域，桩体位移小于土体，此区间内上部荷载主要由桩体承担，因此，土体对桩的摩擦力方向竖直向上。沿桩深方向，土体给桩的摩擦力在附近达到最大值。CFG桩位移、摩擦力分布特性见图1。
根据文献，CFG桩加固后地基承载力可按下式进行计算：
（1）
式中，为CFG桩加固后的地基承载力;为CFG桩所占的面积占加固区域面积的比例;为CFG桩的单桩截面面积;为CFG桩的单桩承载力;为桩前土体承载力折减系数，按照文献取0.70～0.90;为桩前土体的承载力。
假设CFG桩在荷载的作用下，桩顶与桩身产生的沉降分别为和，且令桩前土体产生的沉降为。由于以深度为界，以上区域桩体沉降小于桩前土体沉降，因此桩体部分进入褥垫层中产生变形，记为：
（2）
同理，以下区域桩体沉降大于桩前土体沉降，因此桩体部分的变形记为：
（3）
因此，桩体上部和下部区域变形量的总和记为土体的压缩总量，记为：
（4）
3 实例工程三维数学模型建立
根据实例工程设计资料及地勘资料，本工程区域总共有5个土层，自上而下分别是强风化岩、淤泥质粉质黏土、软粉质黏土、细砂层、软塑粘土，采用CFG桩进行加固处理。CFG桩长为7.0 m，直径为0.6 m，桩间距为2.0 m。实例工程各土层及CFG桩的参数设置表见表1。
本文借助FLAC三维有限元计算软件进行模型计算，其中初始条件与边界设定条件见式（5）与式（6）。
在本文研究范围内，初始时刻满足以下条件：
、、
（5）
在式中，为初始水位值、为初始竖向应力、为初始孔隙水压力。且这三个变量按以下规律变化：
，， （6）
式中，为水位变化过程线、、分别为竖向应力与孔隙水压力变化过程线。
实例工程三维有限元计算模型网格划分见图3（a），在设计方案下的沉降分布见图3（b）。
4 数模计算结果分析
4.1 桩体长度对对沉降影响分析
设计方案桩长为7.0 m，选择桩体长度为5.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m四组方案作为对比方案。其他条件不变情况下，各桩长下实例工程最终沉降云图计算结果见图4。
分析图3、图4可知：
（1）在各工况下，水平方向上，路基沉降的最大值均发生在路基中心区域，且以路基中心为主要沉降区域，向两侧边坡逐渐递减;竖直方向上，主要沉降区域均在地表层区域，且逐渐向下递减，在土体深度9.2 m区域及以下部分，基本没有土体沉降位移发生。 （2）桩体长度为5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m方案下，实例工程路基的最终沉降值分别为3.20 m、2.75 m、2.55 m、2.48 m、2.40 m。可见在其他条件一定的情况下，桩长越长，实例工程路基的最终沉降值越小。
（3）综合各桩长下实例工程路基的最终沉降计算值以，同时考虑到本项目对地基沉降的设计目标值以及各方案的工程造价情况，同时本工程土体能感受到沉降的最大深度为9.2 m，桩长取7.0 m以上后对实例工程土体沉降影响较小，因此建议采用桩长为7.0 m的方案。
4.2 桩体间距对对沉降影响分析
设计方案桩间距为2.0 m，选择桩间距为1.5 m、1.8 m、2.2 m、2.5 m四组方案作为对比方案。其他条件不变情况下，各桩间距下实例工程最终沉降云图计算结果见图5。
分析图3、图5可知：
（1）桩间距为1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m方案下，实例工程路基的最终沉降值分别为3.35 m、2.82 m、2.55 m、2.39 m、2.35 m。可见在其他条件一定的情况下，桩间距越小，实例工程路基的最终沉降值越小。
（2）分析可知，在桩间距为2.0 m时，缩小桩间距对实例工程路基的最终沉降值影响较小。同时考虑到各方案的工程造价，因此选择2.0 m桩间距为建议值。
5 结论
本文以328国道镇江段为研究对象，通过建立不同条件下公路路基沉降计算模型，分析了樁长和桩间距对实例工程路基沉降的影响。根据各对比方案的计算结果，推荐采用7.0 m桩长、2.0 m桩间距。这也与设计方案结果相吻合。因此，实例工程设计方案合理可行。
参考文献：
[1]蔡英，曹新文.重复加载下路基填土的临界动应力和永久变形初探[J].西南交通大学学报，2016（1）：1-5.
[2]中华人民共和国交通部.JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3]周焕云，黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报，2002（4）：7-10.
[4]吕培印，杨锦军.时间序列分析法预报建筑物地基沉降量[J].辽宁工学院学报，2016（4）：27-30.
关键词：CFG桩;路基沉降;三维有限元计算;桩体参数
0 前言
快速化公路是现代综合交通运输体系的组成部分之一，是国家经济发展的基础支撑。根据“十三五”规划，至2025年末，我国现代快速化公路网将基本覆盖长江中下游地区以及华北大部分片区，届时，总建设里程数量将突破12万公里[1]。快速公路由于车辆荷载大、荷载密集，将导致路基中土体的孔隙水压力大幅上升，产生塑性变形;由于快速公路路面的动荷载长期、循环传递至路基土体，引起土体塑性变形不断累积，发生路基沉降现象。
本文以328国道镇江段为研究对象，研究区域软土地基以淤泥质粉质黏土、软黏土为主，经分析选择CFG刚性桩进行加固处理。本文借助FLAC-3D有限元软件，通过建立三维数学模型，系统地分析桩长和桩间距对路基沉降的影响。
1 工程概况
312国道镇江城区段改线工程为一级公路标准，设计速度100 km/h，主线双向六车道，城镇路段两侧设置非机动车道和人行道，项目起点在现312国道谢巷村南侧，与谷阳湖路交叉处，顺接规划中的306省道，终点位于312国道与通江路交叉处，兼顾快速通行及地方疏通功能。主线长23.052 km，起点至243省道段采用城镇断面，路基宽度为58.0 m，横断面形式为：中间带11.0 m（含两侧路缘带），行车道2×3×3.75 m，侧分带2×2.0 m（含路缘带），辅道2×7.0 m，人行横道2×2.75 m。243省道至终点采用一般一级公路断面，路基宽度33.5 m，横断面形式为：中间带3.5 m（含路缘带），行车道2×3×3.75 m，硬路肩2×3.0 m（含路缘带），土路肩2×0.75 m。一般路段路面横坡为2.0%，土路肩横坡为4.0%。项目永久征地2 541.3亩，桥梁15座，互通式立交5处（其中3处预留），分离式立交2处。
项目区主要软（弱）土主要为1-2层软土及1-2a层软弱土。其中，1-2层软土土性为淤泥质粉质黏土，灰褐色、灰色，流塑状态，局部为软黏土，土质不均，夹粉土薄层，具高孔隙比，高压缩性。1-2a层软弱土土性主要为软粉质黏土，该层主要为粉质黏土夹粉砂互层状分布，灰色，软塑，中等偏高压缩性，土性欠均匀，呈透镜体状夹于1-2层之中。实例工程选择CFG刚性桩进行加固处理。
2 CFG桩受力特性和变形特性分析
设桩与土收到的上部荷载为。在深度以上区域，桩体位移小于土体，此区间内上部荷載主要由土体承担，因此，土体对桩的摩擦力方向竖直向下。在深度以下区域，桩体位移小于土体，此区间内上部荷载主要由桩体承担，因此，土体对桩的摩擦力方向竖直向上。沿桩深方向，土体给桩的摩擦力在附近达到最大值。CFG桩位移、摩擦力分布特性见图1。
根据文献，CFG桩加固后地基承载力可按下式进行计算：
（1）
式中，为CFG桩加固后的地基承载力;为CFG桩所占的面积占加固区域面积的比例;为CFG桩的单桩截面面积;为CFG桩的单桩承载力;为桩前土体承载力折减系数，按照文献取0.70～0.90;为桩前土体的承载力。
假设CFG桩在荷载的作用下，桩顶与桩身产生的沉降分别为和，且令桩前土体产生的沉降为。由于以深度为界，以上区域桩体沉降小于桩前土体沉降，因此桩体部分进入褥垫层中产生变形，记为：
（2）
同理，以下区域桩体沉降大于桩前土体沉降，因此桩体部分的变形记为：
（3）
因此，桩体上部和下部区域变形量的总和记为土体的压缩总量，记为：
（4）
3 实例工程三维数学模型建立
根据实例工程设计资料及地勘资料，本工程区域总共有5个土层，自上而下分别是强风化岩、淤泥质粉质黏土、软粉质黏土、细砂层、软塑粘土，采用CFG桩进行加固处理。CFG桩长为7.0 m，直径为0.6 m，桩间距为2.0 m。实例工程各土层及CFG桩的参数设置表见表1。
本文借助FLAC三维有限元计算软件进行模型计算，其中初始条件与边界设定条件见式（5）与式（6）。
在本文研究范围内，初始时刻满足以下条件：
、、
（5）
在式中，为初始水位值、为初始竖向应力、为初始孔隙水压力。且这三个变量按以下规律变化：
，， （6）
式中，为水位变化过程线、、分别为竖向应力与孔隙水压力变化过程线。
实例工程三维有限元计算模型网格划分见图3（a），在设计方案下的沉降分布见图3（b）。
4 数模计算结果分析
4.1 桩体长度对对沉降影响分析
设计方案桩长为7.0 m，选择桩体长度为5.0 m、6.0 m、8.0 m、9.0 m四组方案作为对比方案。其他条件不变情况下，各桩长下实例工程最终沉降云图计算结果见图4。
分析图3、图4可知：
（1）在各工况下，水平方向上，路基沉降的最大值均发生在路基中心区域，且以路基中心为主要沉降区域，向两侧边坡逐渐递减;竖直方向上，主要沉降区域均在地表层区域，且逐渐向下递减，在土体深度9.2 m区域及以下部分，基本没有土体沉降位移发生。 （2）桩体长度为5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m方案下，实例工程路基的最终沉降值分别为3.20 m、2.75 m、2.55 m、2.48 m、2.40 m。可见在其他条件一定的情况下，桩长越长，实例工程路基的最终沉降值越小。
（3）综合各桩长下实例工程路基的最终沉降计算值以，同时考虑到本项目对地基沉降的设计目标值以及各方案的工程造价情况，同时本工程土体能感受到沉降的最大深度为9.2 m，桩长取7.0 m以上后对实例工程土体沉降影响较小，因此建议采用桩长为7.0 m的方案。
4.2 桩体间距对对沉降影响分析
设计方案桩间距为2.0 m，选择桩间距为1.5 m、1.8 m、2.2 m、2.5 m四组方案作为对比方案。其他条件不变情况下，各桩间距下实例工程最终沉降云图计算结果见图5。
分析图3、图5可知：
（1）桩间距为1.5 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.5 m方案下，实例工程路基的最终沉降值分别为3.35 m、2.82 m、2.55 m、2.39 m、2.35 m。可见在其他条件一定的情况下，桩间距越小，实例工程路基的最终沉降值越小。
（2）分析可知，在桩间距为2.0 m时，缩小桩间距对实例工程路基的最终沉降值影响较小。同时考虑到各方案的工程造价，因此选择2.0 m桩间距为建议值。
5 结论
本文以328国道镇江段为研究对象，通过建立不同条件下公路路基沉降计算模型，分析了樁长和桩间距对实例工程路基沉降的影响。根据各对比方案的计算结果，推荐采用7.0 m桩长、2.0 m桩间距。这也与设计方案结果相吻合。因此，实例工程设计方案合理可行。
参考文献：
[1]蔡英，曹新文.重复加载下路基填土的临界动应力和永久变形初探[J].西南交通大学学报，2016（1）：1-5.
[2]中华人民共和国交通部.JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3]周焕云，黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报，2002（4）：7-10.
[4]吕培印，杨锦军.时间序列分析法预报建筑物地基沉降量[J].辽宁工学院学报，2016（4）：27-30.