高速铁路CFG桩筏复合地基沉降变形特性研究＊

付强，刘汉龙，，庄妍，丁选明，孔纲强

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京210098；2.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098）

随着铁路运营速度的不断提高，对轨道平顺性的要求越来越高，路基的工后沉降变形控制是确保高速列车安全、舒适、平顺运行的前提条件，工后沉降控制标准日趋严格。而高速铁路要穿过大量软土地区，这对路基工后沉降控制提出了很高的要求，京沪高速铁路路基主要控制工后沉降，无砟轨道路基要求工后沉降不大于15mm。一般软土地基处理方法有固结排水法［1－2］、水泥土搅拌桩、碎石桩等柔性桩或半刚性桩竖向加固体复合地基以及桩－网复合地基为代表的刚性桩地基处理方法。CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly－ash Gravel pile）的简称。由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高黏结强度桩、桩间土和褥垫层形成复合地基。高速铁路路基采用以“CFG桩复合地基”为主的地基处理方案，成为一种新型的高速铁路路基地基处理方式。桩筏与桩间土体形成的复合地基可以有效地提高地基承载力和减少沉降［3－7］。目前，在高速铁路地基处理工程领域，相关研究人员［8－9］主要集中对CFG桩桩筏复合地基的沉降特性及变形规律进行现场试验研究。同样也有通过数值模拟研究CFG桩加固后路基的沉降变形规律［10－11］。但是仅仅模拟工后静置比较短的时间，未考虑到模拟路基长期变形发展。徐林荣等［12］结合京沪高速铁路试验段开展了CFG桩复合桩基处理工程的长期现场试验研究工作，全面观测了路基沉降变形随路堤填筑和固结时间变化的结果，为其沉降机制及计算分析方法研究积累了丰富的试验数据。目前，工后沉降的计算方法包括理论计算、回归分析与数值模拟，肖长生等［13］以软基沉降监测实测数据为依据，采用双曲线法和三点法等经验分析方法对软土地基沉降进行了预测，并与现场实测数据进行对比分析，为软土地基最终沉降预测结果提供了参考。对于软土处理地段，列车运营期往复荷载作用下软土会发生缓慢变形，列车循环荷载引起的土体工后沉降可以通过堆载预压荷载实现，需要对路基工后沉降进行检验评价［14］。

本文结合京沪高速铁路（凤阳段）工程实例，依托CFG桩筏复合地基加固后分级加载和施工后的地基沉降变形观测资料，基于渗透固结耦合理论，利用有限元软件ABAQUS建立三维桩筏复合地基模型，模拟了路基施工期分级加载工况和静置期路基地基的排水固结沉降过程，并将计算结果与现场实测数据进行对比分析，研究桩筏复合地基中桩筏结构对沉降控制的影响规律。通过堆载预压模拟分析，对路基工后沉降进行分析。以此为设计有效控制高速铁路软土地基工后沉降的方法提供借鉴，为路基工后沉降预测提供参考。

1 工程概况

京沪高速铁路安徽滁州凤阳试验段（DK855＋010～DK855＋100），总长度90m。属淮河二级接地，地形平坦开阔，均辟为田地，地面标高48.1～49.3m。该区上部地层属第四系全新统冲积层，下伏基岩为元古界五河群峰山李组角闪岩地层。

该路段采用CFG桩筏复合地基处理技术，路基顶面宽13.6m，边坡坡度1：1.5，路堤填筑高度4.8m。路堤于2008－03－09日开始填筑，约19 d填筑完成，前18d每d约填筑0.22m，最后一d填筑0.8m。路堤填筑完工后，静置6个月。CFG桩身设计强度等级C20，桩长12～13m，桩直径0.4m；采用正方形布置，桩间距2m；垫层结构为0.2m厚级配碎石；筏板为C25钢筋混凝土板，板厚0.5m。并采用长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注法施工。同时监测施工后的路基沉降，并对运营期间的沉降进行了监控，以便对高速铁路长期沉降预测分析研究提出实际数据支持。土层地质断面及加固示意图如图1所示。目前每年都有沉降，因此根据现有资料及监测数据对后期沉降规律进行模拟非常重要。

图1 桩筏复合地基模型示意图Fig.1 Profile of piled raft composite foundation

2 数值模型的建立

对路堤分层填筑的施工过程和固结沉降进行模拟，创建三维桩筏复合地基模型并进行有限元网格划分，选取合适的材料计算参数和模型。

2.1 计算模型

考虑路基的对称性，取半幅地基和路基结构进行分析，如图1所示。计算范围：竖向取42m，其中包括路堤高度4.8m和下部地基深度37.2 m，为加固体高度的4倍，横向取50m，超过路基底面宽度的3.5倍。结现场实测断面数据和地质勘探资料，土层分为4层，桩体加固区域有2层土，筏板有效加固区域为路基坡脚处14m宽（图1）。边界约束条件为：在地基土的下部边界因远离桩体，荷载影响甚微，视为无位移的固定边界，中心对称面和侧面除去竖向其他方向均进行约束。CFG桩身设计强度等级C20，设计桩长13m，桩体直径0.4m，桩间距2m，采用正方形布置，垫层结构为级配碎石，厚0.2m；混凝土筏板设计强度等级为C25，板厚0.5m。固结沉降模拟中采用特殊的位移－孔压耦合单元进行分析，桩体、筏板和填料采用C3D8R单元，土体和碎石垫层采用C3D8RP流固耦合单元，桩土间接触分析采用罚函数的黏滑接触摩擦模型，桩土摩擦系数为0.35。模型中土体单元均采用Mohr－coulomb模型，桩筏结构采用线弹性模型。三维桩筏有限元模型网格划分如图2所示。

2.2 计算荷载

路堤填筑高度4.8m，约19d填筑完成，取路堤一半分析，路堤底面宽14m，顶面宽6.8m，路堤填土荷载在底面处约为108kPa，计算模型中路堤荷载分级加载，计算路堤填筑期沉降变形。

2.3 数值模型参数选择

凤阳试验段地基自上而下的现场试验物理性质指标为：第1层土为黏土，厚度5.7～6.9m，天然含水率ω为24.94% ，天然重度γ为19.3kN／m3，天然孔隙比e为0.79，不排水强度Cu为37.3kPa，摩擦角φ为20.44°，压缩模量为6.36MPa；第2层土为黏土，厚度5.9～6.7m ，天然含水率ω为22.68% ，天然重度γ为20.1kN／m3，天然孔隙比e为0.67，不排水强度Cu为75.6kPa，摩擦角φ为27.3°，压缩模量为9.24MPa；第 3 层土为全风化岩，厚度 2.5～3.2m；第4层土为强风化岩，厚度4.3～4.5m。

设计取CFG桩体重度为23kN／m3，泊松比0.17，弹性模量为20GPa，筏板重度为24kN／m3，泊松比0.17，弹性模量为30GPa，桩土接触摩擦系数0.35［3］。依据室内实验、现场试验研究和查阅己有的文献和经验，选取的设计计算所需材料计算参数见表1，其中黏土层弹性模量取值参考现场试验变形模量，取值没有按照理论公式计算取值，而是参考文献［3］经验选取一定的比例范围。

图2 桩筏复合地基有限元模型.2Finite element model of piled raft composite foundation

表1 DK800＋100剖面设计及计算参数Table 1 Design and calculation parameters in section DK800＋100

3 计算结果与分析

3.1 路基沉降

图3为填土施工期和静置200d路基沉降数值计算结果与现场实测数据［7］对比。从图3可以看出，实测路堤沉降在填土初始即发生，地基沉降随着填筑荷载的增加而快速发展，经过18d加载，实测路堤沉降量为9.91mm，自静置200d期间，进入静置期间后沉降在开始阶段发展稍快，但已较填筑堆载期间明显放缓，并随时间趋于稳定，期间累计增加沉降量2.41mm，填筑阶段完成总沉降80%，而静置200d沉降量只占20%。数值结果与实测数据相比较，计算桩顶和桩间土沉降与实测路堤沉降量比较接近，填土18d后沉降量分别为9.8和10.4mm，静置200d后沉降量分别为3.2和3.29mm，填筑阶段完成总沉降分别为75%，76%，沉降主要发生在填筑阶段。填筑完20 d左右，沉降变形已逐步趋于稳定。

200d后计算桩顶和桩间土沉降与实测路堤沉降差分别为0.68mm和1.37mm，分别占路堤沉降的5.5%和11.1%。

通过沉降分析可知，天然地基经过CFG桩筏结构处理后，其路堤总沉降量及沉降差均较小，地基可以很快达到沉降稳定状态。同时，本数值计算沉降与实测沉降吻合度较高，取得了比较真实的效果，验证了本沉降计算模型的可靠性。

图3 路基沉降数值模拟与现场实测对比g.3 Comparison between numerical and in flied testing results

图4 静置200d桩筏地基整体位移云图Fig.4 Contour plot of displacement for piled raft foundation 200dafter construction

图4为桩筏地基在分级加载后静置200d后的整体位移变化云图。其中最大位移发生在路基填土的底部靠近路基中心位置，最大值达15.39mm，由路基中心向外扩散，沉降变形逐步变小，在桩筏刚性基础作用下路基整体位移值较小。强风化层沉降变形值最大为4.7mm，至23m以下弱风化岩层，最大变形不足1mm，沉降变形已经很小，不会造成下部土体的过大变形。同时路基坡脚向外侧的水平向位移同样很小，最大值为2.9mm。

从图5桩筏结构位移云图可以看出，筏板结构在靠近路基中心侧竖向位移较大，最大为14.90 mm，沿筏板向外扩结构体沉降值逐步减少，至筏板边侧最大沉降值为1.39mm，变形值微乎其微，桩体本身产生的下沉，通过与垫层、下部土体共同作用而逐步削弱。在图6中，桩体端部与下部土体作用下，桩端下部土体最大产生变形为12mm，随着远离对称面，且这种趋势逐步减弱，桩端进入土体的深度逐步减小，至加固区最外侧，最大变形量仅为0.97mm。因此在桩筏结构的作用下，下部承载基岩产生的沉降值低于路基底部沉降值，且变形值低于使得地基破坏的限值。

图5 桩与筏板结构位移云图Fig.5 Contour plot of displacement of piled raft structure

图6 桩底部地基土位移云图ig.6 Contour plot of displacement of soils under the piles

3.2 地基侧向变形

在分级加载和后期静置过程中，路基坡脚向下土体会发生侧向变形，从图7中可以看出，从地基表面到下部基岩层，最大位移发生在地表下约3.7m位置，填土初期侧向位移较小，仅为1mm。随着上部填土荷载的增加，地基侧向位移逐步增加，填土完成，侧向变形在3.7m深度处达到最大值4.7mm。随着静置时间的增加以及地基土的固结过程，地基侧向变形开始向内收缩，也即侧向变形逐步变小，待到静置200d后，最大侧向变形减小为3.3mm。且地基侧向变形较大区域基本在地基加固区深度以内，在加固区以下，地基土侧向变形最大不超过2mm，并沿着深度逐步减小。

图7 地基土侧向变形Fig.7 Lateral deformation of ground soil

3.3 桩土应力

模拟结果分析中，CFG桩筏复合地基可以有效地减少地基土承载的荷载，通过桩土应力比可以看出。由图8可以看出，在填方初期200d桩土应力随着填筑施工逐步增大，随着填高增加，桩筏垫层和土体相互作用，桩体和土体应力随之增大，在静置200d后，桩顶应力最大值2.28MPa，桩间土最大应力值为53kPa，低于路堤底部最大应力值108kPa。桩筏结构主要承受上部荷载，说明路基沉降变形已达到稳定状态。

图8 桩土应力变化Fig.8 Stress plots of piles and soils

3.4 参数分析

考虑将CFG桩体、混凝土筏板模量由30GPa增大到40GPa，垫层模量由120MPa提高到200 MPa，研究其对路基沉降的影响。如图9所示，桩体、筏板模量改变对路基沉降影响微弱，垫层弹性模量的改变对沉降稍有影响。路基静置200d后沉降相比改变前降低了0.8mm，由此可知，桩筏结构本身具有较大的抵抗变形的能力，其小幅度结构强度变化对路基沉降变化影响较小。

图9 桩筏结构模量变化对路堤沉降的影响Fig.9 Influence of modulus change of piled raft structure on the settlement of subgrade

4 沉降预测分析

考虑地基后期沉降，模拟路基固结10a累积沉降变化规律。高速铁路数值模拟预测值与实测年均累积沉降进行对比分析。

各模拟沉降期沉降量与实测沉降量对比见表2。初始填筑静置200d后路堤实测沉降值为12.32mm。2003年，京沪铁路工后沉降标准提高到100mm，无砟轨道工后沉降被再次大幅度提高到小于15mm，有砟轨道为50mm，沉降速率为20mm／a。由图10和表2可以发现，模拟计算工后10a后桩顶和桩间土累积沉降量为2.46mm和2.50mm，总体累计沉降量为15.4mm和16.25mm。小于京沪高速铁路工后沉降控制标准值。对比路基施工前期和后期沉降速率可以发现，路基整体沉降已经达到缓慢稳定状态。计算观测期内桩顶和桩间土沉降量分别为0.37mm和0.40mm，高铁路堤沉降变形逐步向稳定状态发展，预测桩顶和桩间土年均累积沉降量为0.24mm／a和0.26mm／a，均低于高速铁路年均实测累计沉降标准20mm／a，说明该路段路基已经进入长期稳定期状态。由此可见该模型具有一定的预测可靠性，可为高速铁路工后沉降预测提供一定的对比参考。

表2 各模拟沉降期沉降计算表Table 2 calculated settlement for the simulated periods

图10 工后沉降预测数值模拟结果Fig.10 Numerical result of post－construction settlement prediction

图11为沉降10a后的路基整体位移云图，其中最大位移值为17.94mm，发生在路堤中心断面附近。

图11 模拟预测工后10a路基沉降云图Fig.11 Prediction for contours of settlement after 10years construction of embankment

5 结论

（1）CFG桩筏复合地基总体沉降量较小，最大为12.32mm，而数值模拟值为13.69mm，二者相差1.2mm，数值模拟计算的路基分层填筑施工沉降与实测沉降比较接近，该模型较好地模拟施工现场在填土期和静置期的沉降变形，在研究变形的时效性方面是可行的。

（2）桩顶最大应力为2.28MPa，桩间土最大应力值为53kPa，桩顶有轻微刺入垫层现象，桩底刺入土体约12mm。反映出桩筏结构承担上部大部分荷载，且桩土差异沉降不超过1mm。桩体、筏板模量在20－30GPa，继续增大桩体与筏板模量，路基沉降减小，但影响十分微弱。

（3）路基坡脚外侧1.6m处地基侧向水平最大位移发生在地表下约3.7m位置，最大值为4.7 mm。随着静置时间的增加，地基侧向变形开始向内收缩，也即侧向变形逐步变小，待到静置200d后，最大侧向变形减小为3.3mm。在加固区以下，地基土侧向变形最大不超过2mm，并沿着深度逐步减小。

（4）模拟地基10a累计沉降，预测桩顶和桩间土年均累积沉降量为0.24mm／a和0.26mm／a，均低于高速铁路年均实测累计沉降标准20mm／a，说明运营期该路段路基已经进入长期稳定期状。

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