CMP与CFG组合型桩复合地基载荷作用特性研究

CMP与CFG组合型桩复合地基载荷作用特性研究
李龙起;罗书学;陈麟;冯君;朱明;张宽;薛建成;吴昊
【摘要】On account of the main feature of deep-soft soil region, it is an innovation on adopting cement mixing piles and CFG piles of different stiffness and length to deal with the ground treatment. Based on the Harbin-Dalian passenger dedicated railway, this paper have conduct parameter inversion in combination with the Hardening-Soil constitutive model, while site test and numerical analysis have been adopted to study the loading character of this kind of composite foundation. The result shows that CFG piles undertake most load of the superstructure, while cement mixing piles take the task of improving the characters of plastic-like flow soil and keeping the integrity of the system. Moreover, the cement mixing piles improve the CFG capacity by weakening the negative friction and the total capacity of composite foundation has been enhanced in turn.%针对深厚软土层工程特性较差的特点,使用刚度、长度各异的水泥搅拌桩(CMP)与CFG组合型桩进行地基处理是一种新的尝试.以哈大客运专线某工点地基处理为依托,采用Hardening-Soil本构模型对地层参数进行了反演分析和计算,结合现场试验和数值模拟等手段对这种新型组合型桩复合地基荷载传递特性进行了研究.研究表明,CFG桩是承受上部荷载的主体,CMP起到改善流塑状土体特性、保证基础完整性的作用；通过CMP的设置,CFG桩桩侧的负摩阻力弱化,从而提高了复合地基的整体承载能力.
【期刊名称】《水文地质工程地质》
【年(卷),期】2012(039)006
【总页数】5页(P82-86)
【关键词】CMP;CFG桩;组合型桩复合地基;载荷作用
【作者】李龙起;罗书学;陈麟;冯君;朱明;张宽;薛建成;吴昊
【作者单位】西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;中铁五局集团公司,贵阳550003;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031;西南交通大学土木工程学院,成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】U213.1+4;TU473.1
在深厚软土层分布地区修筑高速铁路路基工程，往往会遇到土体含水量大、承载力低的问题，常需要采用地基处理方法改善其承载特性。

但有时在遇到较为复杂恶劣的地质状况时，仅采用CFG桩地基处理形式无法满足工程的要求，由两种或两种以上不同形式的桩组成的组合型桩复合地基能够发挥各型桩的优点，可以较好地解决上述问题。

目前相关地基处理技术规范中主要针对单一型式的处理技术，对于采用组合型地基处理方法尚未涉及［1］。

近年来的地基处理工程应用中，国内外主要采用CFG 桩与刚性桩联合使用的复合地基处理方法，以及采用不同形式的柔性桩进行地基处理的技术［2～4］，对于CFG桩结合柔性桩组合型复合地基的工作状态的相关研究较少，而在该种形式的复合地基中，由于桩体之间的力学特性和几何特性不同，
桩土之间的相互作用机制复杂，导致工程人员对于不同桩体间的载荷作用特性及相互影响、复合地基的整体工作性能等了解不够。

本文依托哈大客运专线某工点地基处理工程，以CFG桩结合CMP桩组合型复合
地基载荷特性为研究对象，开展现场监测试验和数值仿真分析，并以现场试验为基础，结合高级岩土本构模型和数值反演技术进行了岩土参数的反演和优化，在此基础上研究复合地基中不同组成部分的工作特性。

哈大客运专线跨越辽东半岛，第四纪冲洪积软土层厚度超过60m，在建设中遇到
地面沉降难以满足要求问题。

设计上采用了CFG桩和CMP桩搭配使用的组合型
桩复合地基处理方案，即以梅花形布置形式为基础，在距离线路中心18m范围内设置CMP桩，桩长为12m，桩径0.5m，桩间距为1.5m。

在CMP桩间设置桩
长为30m的CFG桩，桩径和桩间距同CMP桩(图1)。

CMP桩按水泥:土料=1:6
进行搅拌，CFG桩桩体强度等级相当于C20。

经过处理后的CMP复合地基的承
载力要求不小于150kPa，CFG桩单桩承载力特征值要求不小于800kN。

为研究复合地基的工作特性，本次共进行了两项现场试验:(1)现场静载荷试验。

通
过分析桩土荷载－沉降工作特性，研究经过CMP桩加固后的复合地基及CFG桩
的工作特性。

现场选取线路右侧的第3根CFG桩及桩周土体进行了静载试验。

根
据文献［5］～［7］，采用单桩复合地基进行静载试验，所需配载或反力要求不
低于1600 kN。

结合当地条件经过论证采用了桩、土分做方式:①CFG桩间土体采用普通平板载荷试验，试验加载采用慢速维持载荷法，刚性压板面积为0.5m2;②
对CFG桩体，主要采用现场静载荷试验测定其单桩承载力。

(2)桩土应力测试试验。

在两种桩顶及桩间土体中埋设土压力盒，测试距离线路中心不同位置处的桩土应力比，土压力盒现场布置图如图2所示。

本文采用Midas GTS进行平面应变分析，并取路基中线右侧部分建立模型。

计算中水平向取路堤填筑宽度的3倍左右，即58m，竖向取CFG桩桩长的2倍约
60m。

在计算中，土体采用24节点的六面体单元进行离散，CFG桩和CMP桩采用5节点桩单元进行离散(图3)。

在模型的侧面约束侧向位移，底部约束竖向位移，顶部采用荷载已知的应力边界。

参照相关资料［4］，CFG桩和CMP桩在类似软土工程中均呈现弹性工作特征，故在本次分析中均取为弹性材料。

考虑到岩土体的应力路径相关性特征，褥垫层和地基土采用了Hardening-Soil本构模型。

该模型是一种可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型行为的高级模型，一个基本特征是变形模量与应力水平相关，使用塑性理论，并考虑了土体的剪胀性。

考虑到桩土之间的刚度差异较大，可能发生脱离现象，因此在桩土之间设置罚函数接触单元，采用Coulomb准则判断其弹性和塑性变形行为，参照相关文献接触面惩罚因子Rinter取为0.7［8］。

以工程地质勘察报告和现场试桩资料为基础，采用最小二乘法对卸载－再压缩模量进行了参数反演和参数调整，校正后的模型基本参数取值见表1。

CFG桩及复合地基的静载曲线如图4所示。

由图中可知，对于CFG单桩静载试验，Q-S曲线在承载力达到800kN以前基本呈线性变化，随后变形急剧加大，当加载至1600kN时，桩体沉降达到23mm，此时桩体已经破坏。

根据图4可知CFG
桩单桩的承载力约为800kN。

与CFG桩静载试验的Q-S曲线变化趋势不同，复
合地基静载试验的p-S曲线变化相对比较平缓，未出现明显的拐点，说明由于荷
载是由桩体与桩周土体共同承担的，地基的完整性较好，复合地基随着桩间土体承担荷载的增大而发生整体破坏。

图5为组合型桩复合地基以及单桩复合地基中CFG桩桩身轴力分布图。

从图中可知，未设置CMP桩时，复合地基中CFG桩的桩身最大轴力为319kN，距桩端约为桩长的1/3左右;设置CMP后，CFG桩桩身的最大轴力点上移至距桩端约为桩
长的1/2处，且最大轴力减为310kN。

其原因为:桩体穿过较为软弱的软土层时，由于桩及桩周土体刚度的差异使得上部传来的荷载进行重新分配，导致桩的沉降相
对较小而土的沉降相对较大，这种差异一直延伸至地面以下一定深度，从而对桩体产生向下的负摩阻力，故桩体的最大轴力位于地面以下一定深度。

设置CMP之后，浅层土体的物理力学性质得到了一定的改善，桩土荷载重新进行了分配，加固区土体的压缩变形相对减小，桩土差异沉降减小，突出表现在复合地基中的CFG桩桩
身负摩阻力分布区域弱化，这种弱化作用一方面保证了地基的完整性，另一方面使得CFG桩的单桩承载力得到提高，该结论对于工程实践具有一定的指导意义。

图6是组合桩型复合地基中CMP桩桩身轴力分布图。

由图中可知，最大轴力出现在桩顶以下一定区域且位置靠近桩顶，这主要是由于CMP桩与周围土体的搅拌作用使得桩体与周围土体协同工作因而负摩阻力分布区域较小。

对比图5与图6可知，在这种复合地基中与CMP桩相比，CFG桩承担了上部结构传来的大部分荷载。

图7为不同型桩复合地基中CFG桩桩侧摩阻力分布图。

由图中可知，对于组合型桩，桩身上部有负摩阻力区分布，负摩阻力的最大值为4.8kPa。

随着深度的增加，桩侧负摩阻力逐渐减小，在地面以下15m左右达到中性点位置。

随着深度的继续增加，桩体的沉降逐渐大于周围土体的沉降，桩周土体的阻抗作用逐渐被调动出来，表现为正摩阻力逐渐增加，且增加的速率逐渐加快。

与组合桩型复合地基相比，单一桩型的CFG桩侧负摩阻力分布区域较大，表现在中性点明显下移。

此外，单一
桩型复合地基中CFG桩桩侧正的摩阻力最大值为22kPa，而组合桩型中的相应值仅为16kPa，说明在上部荷载不变的情况下，由于前者的桩侧负摩阻力的合力较
后者大，因此需要在正摩阻力分布区调动更多的阻抗来抵抗相应负摩阻力的不利作用。

同时可知，无论是组合桩型还是单一桩型复合地基，在CFG桩端附近(－30m 处)将出现明显的侧摩阻力转折点，之后侧摩阻力迅速减小至0附近。

出现这种现
象的原因主要是由于桩端处土体位于加固区下边缘，相对于桩身范围内的土体，其所受的约束力减弱，土体发生绕桩的塑形流动变形，导致桩端附近的土体对桩体形成有效摩阻力的作用减弱。

如图8所示，桩土应力比是反映复合地基工作状况的一个重要指标，可以用于揭
示复合地基中应力分布的集中情况。

由图中可知，在这种复合地基中，CFG桩是
这种复合地基中承载的主体，随着距线路中心距离的增加，CFG与CMP、CFG与桩间土、CMP与桩间土3个比值均呈现减小的趋势，其中尤其以CFG与桩间土
比值的减小最为明显。

同时通过CFG桩桩土应力分布曲线可知，在区间中线范围
以内桩土应力比数值较大，且随距线路中心的增大其值的衰减程度不如此范围之外明显。

在上述3种曲线中，随距线路中心距离的增大，应力比值衰减的程度
为:CFG∶桩间土＞C FG∶CMP＞CMP∶桩间土。

此外图8还反映出数值模拟与现
场实测吻合较好，这说明基于Hardening-Soil岩土本构模型能够较好地反演复合地基的工作特性，它不仅可以克服Mohr-Column模型无法反映应力路径的缺陷，而且操作简便，仅对卸载－再压缩模量进行适当调整就可满足工程要求。

(1)采用该种CFG和CMP组合型桩复合地基可较好地改善地基的载荷传递形式，
能够较大地提高复合地基的承载能力。

(2)组合型桩复合地基中CFG桩承受上部路基填土传来的大部分荷载，CMP的主
要作用是改善流塑状土的工程特性，限制CFG桩体侧移，提高复合地基的整体性。

(3)与单一桩型复合地基相比，在设置CMP之后，组合型桩复合地基中CFG桩桩
身的负摩阻力分布区域有所减小且其承载能力得到提高。

(4)在本文的组合桩型复合地基中，随距线路中心距离的增大，应力比值衰减的程
度为:CFG∶桩间土＞CFG ∶CMP＞CMP∶桩间土。

【相关文献】
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