付強(qiáng)，劉漢龍，，莊妍，丁選明，孔綱強(qiáng)

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098）

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，對(duì)軌道平順性的要求越來(lái)越高，路基的工后沉降變形控制是確保高速列車安全、舒適、平順運(yùn)行的前提條件，工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。而高速鐵路要穿過(guò)大量軟土地區(qū)，這對(duì)路基工后沉降控制提出了很高的要求，京滬高速鐵路路基主要控制工后沉降，無(wú)砟軌道路基要求工后沉降不大于15mm。一般軟土地基處理方法有固結(jié)排水法［1－2］、水泥土攪拌樁、碎石樁等柔性樁或半剛性樁豎向加固體復(fù)合地基以及樁－網(wǎng)復(fù)合地基為代表的剛性樁地基處理方法。CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly－ash Gravel pile）的簡(jiǎn)稱。由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高黏結(jié)強(qiáng)度樁、樁間土和褥墊層形成復(fù)合地基。高速鐵路路基采用以“CFG樁復(fù)合地基”為主的地基處理方案，成為一種新型的高速鐵路路基地基處理方式。樁筏與樁間土體形成的復(fù)合地基可以有效地提高地基承載力和減少沉降［3－7］。目前，在高速鐵路地基處理工程領(lǐng)域，相關(guān)研究人員［8－9］主要集中對(duì)CFG樁樁筏復(fù)合地基的沉降特性及變形規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。同樣也有通過(guò)數(shù)值模擬研究CFG樁加固后路基的沉降變形規(guī)律［10－11］。但是僅僅模擬工后靜置比較短的時(shí)間，未考慮到模擬路基長(zhǎng)期變形發(fā)展。徐林榮等［12］結(jié)合京滬高速鐵路試驗(yàn)段開展了CFG樁復(fù)合樁基處理工程的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作，全面觀測(cè)了路基沉降變形隨路堤填筑和固結(jié)時(shí)間變化的結(jié)果，為其沉降機(jī)制及計(jì)算分析方法研究積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前，工后沉降的計(jì)算方法包括理論計(jì)算、回歸分析與數(shù)值模擬，肖長(zhǎng)生等［13］以軟基沉降監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用雙曲線法和三點(diǎn)法等經(jīng)驗(yàn)分析方法對(duì)軟土地基沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為軟土地基最終沉降預(yù)測(cè)結(jié)果提供了參考。對(duì)于軟土處理地段，列車運(yùn)營(yíng)期往復(fù)荷載作用下軟土?xí)l(fā)生緩慢變形，列車循環(huán)荷載引起的土體工后沉降可以通過(guò)堆載預(yù)壓荷載實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)路基工后沉降進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)［14］。

本文結(jié)合京滬高速鐵路（鳳陽(yáng)段）工程實(shí)例，依托CFG樁筏復(fù)合地基加固后分級(jí)加載和施工后的地基沉降變形觀測(cè)資料，基于滲透固結(jié)耦合理論，利用有限元軟件ABAQUS建立三維樁筏復(fù)合地基模型，模擬了路基施工期分級(jí)加載工況和靜置期路基地基的排水固結(jié)沉降過(guò)程，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究樁筏復(fù)合地基中樁筏結(jié)構(gòu)對(duì)沉降控制的影響規(guī)律。通過(guò)堆載預(yù)壓模擬分析，對(duì)路基工后沉降進(jìn)行分析。以此為設(shè)計(jì)有效控制高速鐵路軟土地基工后沉降的方法提供借鑒，為路基工后沉降預(yù)測(cè)提供參考。

1 工程概況

京滬高速鐵路安徽滁州鳳陽(yáng)試驗(yàn)段（DK855＋010～DK855＋100），總長(zhǎng)度90m。屬淮河二級(jí)接地，地形平坦開闊，均辟為田地，地面標(biāo)高48.1～49.3m。該區(qū)上部地層屬第四系全新統(tǒng)沖積層，下伏基巖為元古界五河群峰山李組角閃巖地層。

該路段采用CFG樁筏復(fù)合地基處理技術(shù)，路基頂面寬13.6m，邊坡坡度1：1.5，路堤填筑高度4.8m。路堤于2008－03－09日開始填筑，約19 d填筑完成，前18d每d約填筑0.22m，最后一d填筑0.8m。路堤填筑完工后，靜置6個(gè)月。CFG樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20，樁長(zhǎng)12～13m，樁直徑0.4m；采用正方形布置，樁間距2m；墊層結(jié)構(gòu)為0.2m厚級(jí)配碎石；筏板為C25鋼筋混凝土板，板厚0.5m。并采用長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注法施工。同時(shí)監(jiān)測(cè)施工后的路基沉降，并對(duì)運(yùn)營(yíng)期間的沉降進(jìn)行了監(jiān)控，以便對(duì)高速鐵路長(zhǎng)期沉降預(yù)測(cè)分析研究提出實(shí)際數(shù)據(jù)支持。土層地質(zhì)斷面及加固示意圖如圖1所示。目前每年都有沉降，因此根據(jù)現(xiàn)有資料及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)后期沉降規(guī)律進(jìn)行模擬非常重要。

圖1 樁筏復(fù)合地基模型示意圖Fig.1 Profile of piled raft composite foundation

2 數(shù)值模型的建立

對(duì)路堤分層填筑的施工過(guò)程和固結(jié)沉降進(jìn)行模擬，創(chuàng)建三維樁筏復(fù)合地基模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，選取合適的材料計(jì)算參數(shù)和模型。

2.1 計(jì)算模型

考慮路基的對(duì)稱性，取半幅地基和路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖1所示。計(jì)算范圍：豎向取42m，其中包括路堤高度4.8m和下部地基深度37.2 m，為加固體高度的4倍，橫向取50m，超過(guò)路基底面寬度的3.5倍。結(jié)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探資料，土層分為4層，樁體加固區(qū)域有2層土，筏板有效加固區(qū)域?yàn)槁坊履_處14m寬（圖1）。邊界約束條件為：在地基土的下部邊界因遠(yuǎn)離樁體，荷載影響甚微，視為無(wú)位移的固定邊界，中心對(duì)稱面和側(cè)面除去豎向其他方向均進(jìn)行約束。CFG樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)13m，樁體直徑0.4m，樁間距2m，采用正方形布置，墊層結(jié)構(gòu)為級(jí)配碎石，厚0.2m；混凝土筏板設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，板厚0.5m。固結(jié)沉降模擬中采用特殊的位移－孔壓耦合單元進(jìn)行分析，樁體、筏板和填料采用C3D8R單元，土體和碎石墊層采用C3D8RP流固耦合單元，樁土間接觸分析采用罰函數(shù)的黏滑接觸摩擦模型，樁土摩擦系數(shù)為0.35。模型中土體單元均采用Mohr－coulomb模型，樁筏結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。三維樁筏有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 計(jì)算荷載

路堤填筑高度4.8m，約19d填筑完成，取路堤一半分析，路堤底面寬14m，頂面寬6.8m，路堤填土荷載在底面處約為108kPa，計(jì)算模型中路堤荷載分級(jí)加載，計(jì)算路堤填筑期沉降變形。

2.3 數(shù)值模型參數(shù)選擇

鳳陽(yáng)試驗(yàn)段地基自上而下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)物理性質(zhì)指標(biāo)為：第1層土為黏土，厚度5.7～6.9m，天然含水率ω為24.94% ，天然重度γ為19.3kN／m3，天然孔隙比e為0.79，不排水強(qiáng)度Cu為37.3kPa，摩擦角φ為20.44°，壓縮模量為6.36MPa；第2層土為黏土，厚度5.9～6.7m ，天然含水率ω為22.68% ，天然重度γ為20.1kN／m3，天然孔隙比e為0.67，不排水強(qiáng)度Cu為75.6kPa，摩擦角φ為27.3°，壓縮模量為9.24MPa；第 3 層土為全風(fēng)化巖，厚度 2.5～3.2m；第4層土為強(qiáng)風(fēng)化巖，厚度4.3～4.5m。

設(shè)計(jì)取CFG樁體重度為23kN／m3，泊松比0.17，彈性模量為20GPa，筏板重度為24kN／m3，泊松比0.17，彈性模量為30GPa，樁土接觸摩擦系數(shù)0.35［3］。依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和查閱己有的文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，選取的設(shè)計(jì)計(jì)算所需材料計(jì)算參數(shù)見表1，其中黏土層彈性模量取值參考現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)變形模量，取值沒(méi)有按照理論公式計(jì)算取值，而是參考文獻(xiàn)［3］經(jīng)驗(yàn)選取一定的比例范圍。

圖2 樁筏復(fù)合地基有限元模型.2Finite element model of piled raft composite foundation

表1 DK800＋100剖面設(shè)計(jì)及計(jì)算參數(shù)Table 1 Design and calculation parameters in section DK800＋100

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 路基沉降

圖3為填土施工期和靜置200d路基沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［7］對(duì)比。從圖3可以看出，實(shí)測(cè)路堤沉降在填土初始即發(fā)生，地基沉降隨著填筑荷載的增加而快速發(fā)展，經(jīng)過(guò)18d加載，實(shí)測(cè)路堤沉降量為9.91mm，自靜置200d期間，進(jìn)入靜置期間后沉降在開始階段發(fā)展稍快，但已較填筑堆載期間明顯放緩，并隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，期間累計(jì)增加沉降量2.41mm，填筑階段完成總沉降80%，而靜置200d沉降量只占20%。數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算樁頂和樁間土沉降與實(shí)測(cè)路堤沉降量比較接近，填土18d后沉降量分別為9.8和10.4mm，靜置200d后沉降量分別為3.2和3.29mm，填筑階段完成總沉降分別為75%，76%，沉降主要發(fā)生在填筑階段。填筑完20 d左右，沉降變形已逐步趨于穩(wěn)定。

200d后計(jì)算樁頂和樁間土沉降與實(shí)測(cè)路堤沉降差分別為0.68mm和1.37mm，分別占路堤沉降的5.5%和11.1%。

通過(guò)沉降分析可知，天然地基經(jīng)過(guò)CFG樁筏結(jié)構(gòu)處理后，其路堤總沉降量及沉降差均較小，地基可以很快達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，本數(shù)值計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降吻合度較高，取得了比較真實(shí)的效果，驗(yàn)證了本沉降計(jì)算模型的可靠性。

圖3 路基沉降數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比g.3 Comparison between numerical and in flied testing results

圖4 靜置200d樁筏地基整體位移云圖Fig.4 Contour plot of displacement for piled raft foundation 200dafter construction

圖4為樁筏地基在分級(jí)加載后靜置200d后的整體位移變化云圖。其中最大位移發(fā)生在路基填土的底部靠近路基中心位置，最大值達(dá)15.39mm，由路基中心向外擴(kuò)散，沉降變形逐步變小，在樁筏剛性基礎(chǔ)作用下路基整體位移值較小。強(qiáng)風(fēng)化層沉降變形值最大為4.7mm，至23m以下弱風(fēng)化巖層，最大變形不足1mm，沉降變形已經(jīng)很小，不會(huì)造成下部土體的過(guò)大變形。同時(shí)路基坡腳向外側(cè)的水平向位移同樣很小，最大值為2.9mm。

從圖5樁筏結(jié)構(gòu)位移云圖可以看出，筏板結(jié)構(gòu)在靠近路基中心側(cè)豎向位移較大，最大為14.90 mm，沿筏板向外擴(kuò)結(jié)構(gòu)體沉降值逐步減少，至筏板邊側(cè)最大沉降值為1.39mm，變形值微乎其微，樁體本身產(chǎn)生的下沉，通過(guò)與墊層、下部土體共同作用而逐步削弱。在圖6中，樁體端部與下部土體作用下，樁端下部土體最大產(chǎn)生變形為12mm，隨著遠(yuǎn)離對(duì)稱面，且這種趨勢(shì)逐步減弱，樁端進(jìn)入土體的深度逐步減小，至加固區(qū)最外側(cè)，最大變形量?jī)H為0.97mm。因此在樁筏結(jié)構(gòu)的作用下，下部承載基巖產(chǎn)生的沉降值低于路基底部沉降值，且變形值低于使得地基破壞的限值。

圖5 樁與筏板結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.5 Contour plot of displacement of piled raft structure

圖6 樁底部地基土位移云圖ig.6 Contour plot of displacement of soils under the piles

3.2 地基側(cè)向變形

在分級(jí)加載和后期靜置過(guò)程中，路基坡腳向下土體會(huì)發(fā)生側(cè)向變形，從圖7中可以看出，從地基表面到下部基巖層，最大位移發(fā)生在地表下約3.7m位置，填土初期側(cè)向位移較小，僅為1mm。隨著上部填土荷載的增加，地基側(cè)向位移逐步增加，填土完成，側(cè)向變形在3.7m深度處達(dá)到最大值4.7mm。隨著靜置時(shí)間的增加以及地基土的固結(jié)過(guò)程，地基側(cè)向變形開始向內(nèi)收縮，也即側(cè)向變形逐步變小，待到靜置200d后，最大側(cè)向變形減小為3.3mm。且地基側(cè)向變形較大區(qū)域基本在地基加固區(qū)深度以內(nèi)，在加固區(qū)以下，地基土側(cè)向變形最大不超過(guò)2mm，并沿著深度逐步減小。

圖7 地基土側(cè)向變形Fig.7 Lateral deformation of ground soil

3.3 樁土應(yīng)力

模擬結(jié)果分析中，CFG樁筏復(fù)合地基可以有效地減少地基土承載的荷載，通過(guò)樁土應(yīng)力比可以看出。由圖8可以看出，在填方初期200d樁土應(yīng)力隨著填筑施工逐步增大，隨著填高增加，樁筏墊層和土體相互作用，樁體和土體應(yīng)力隨之增大，在靜置200d后，樁頂應(yīng)力最大值2.28MPa，樁間土最大應(yīng)力值為53kPa，低于路堤底部最大應(yīng)力值108kPa。樁筏結(jié)構(gòu)主要承受上部荷載，說(shuō)明路基沉降變形已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 樁土應(yīng)力變化Fig.8 Stress plots of piles and soils

3.4 參數(shù)分析

考慮將CFG樁體、混凝土筏板模量由30GPa增大到40GPa，墊層模量由120MPa提高到200 MPa，研究其對(duì)路基沉降的影響。如圖9所示，樁體、筏板模量改變對(duì)路基沉降影響微弱，墊層彈性模量的改變對(duì)沉降稍有影響。路基靜置200d后沉降相比改變前降低了0.8mm，由此可知，樁筏結(jié)構(gòu)本身具有較大的抵抗變形的能力，其小幅度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化對(duì)路基沉降變化影響較小。

圖9 樁筏結(jié)構(gòu)模量變化對(duì)路堤沉降的影響Fig.9 Influence of modulus change of piled raft structure on the settlement of subgrade

4 沉降預(yù)測(cè)分析

考慮地基后期沉降，模擬路基固結(jié)10a累積沉降變化規(guī)律。高速鐵路數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)年均累積沉降進(jìn)行對(duì)比分析。

各模擬沉降期沉降量與實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比見表2。初始填筑靜置200d后路堤實(shí)測(cè)沉降值為12.32mm。2003年，京滬鐵路工后沉降標(biāo)準(zhǔn)提高到100mm，無(wú)砟軌道工后沉降被再次大幅度提高到小于15mm，有砟軌道為50mm，沉降速率為20mm／a。由圖10和表2可以發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算工后10a后樁頂和樁間土累積沉降量為2.46mm和2.50mm，總體累計(jì)沉降量為15.4mm和16.25mm。小于京滬高速鐵路工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)比路基施工前期和后期沉降速率可以發(fā)現(xiàn)，路基整體沉降已經(jīng)達(dá)到緩慢穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算觀測(cè)期內(nèi)樁頂和樁間土沉降量分別為0.37mm和0.40mm，高鐵路堤沉降變形逐步向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，預(yù)測(cè)樁頂和樁間土年均累積沉降量為0.24mm／a和0.26mm／a，均低于高速鐵路年均實(shí)測(cè)累計(jì)沉降標(biāo)準(zhǔn)20mm／a，說(shuō)明該路段路基已經(jīng)進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定期狀態(tài)。由此可見該模型具有一定的預(yù)測(cè)可靠性，可為高速鐵路工后沉降預(yù)測(cè)提供一定的對(duì)比參考。

表2 各模擬沉降期沉降計(jì)算表Table 2 calculated settlement for the simulated periods

圖10 工后沉降預(yù)測(cè)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.10 Numerical result of post－construction settlement prediction

圖11為沉降10a后的路基整體位移云圖，其中最大位移值為17.94mm，發(fā)生在路堤中心斷面附近。

圖11 模擬預(yù)測(cè)工后10a路基沉降云圖Fig.11 Prediction for contours of settlement after 10years construction of embankment

5 結(jié)論

（1）CFG樁筏復(fù)合地基總體沉降量較小，最大為12.32mm，而數(shù)值模擬值為13.69mm，二者相差1.2mm，數(shù)值模擬計(jì)算的路基分層填筑施工沉降與實(shí)測(cè)沉降比較接近，該模型較好地模擬施工現(xiàn)場(chǎng)在填土期和靜置期的沉降變形，在研究變形的時(shí)效性方面是可行的。

（2）樁頂最大應(yīng)力為2.28MPa，樁間土最大應(yīng)力值為53kPa，樁頂有輕微刺入墊層現(xiàn)象，樁底刺入土體約12mm。反映出樁筏結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部大部分荷載，且樁土差異沉降不超過(guò)1mm。樁體、筏板模量在20－30GPa，繼續(xù)增大樁體與筏板模量，路基沉降減小，但影響十分微弱。

（3）路基坡腳外側(cè)1.6m處地基側(cè)向水平最大位移發(fā)生在地表下約3.7m位置，最大值為4.7 mm。隨著靜置時(shí)間的增加，地基側(cè)向變形開始向內(nèi)收縮，也即側(cè)向變形逐步變小，待到靜置200d后，最大側(cè)向變形減小為3.3mm。在加固區(qū)以下，地基土側(cè)向變形最大不超過(guò)2mm，并沿著深度逐步減小。

（4）模擬地基10a累計(jì)沉降，預(yù)測(cè)樁頂和樁間土年均累積沉降量為0.24mm／a和0.26mm／a，均低于高速鐵路年均實(shí)測(cè)累計(jì)沉降標(biāo)準(zhǔn)20mm／a，說(shuō)明運(yùn)營(yíng)期該路段路基已經(jīng)進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定期狀。

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