不同位置的加筋材料對樁-網復合地基樁土應力的影響分析

虞小平 梁都 劉茂軍

摘要：為了分析加筋墊層鋪設位置對樁土應力的影響，文章通過加筋材料的鋪設位置、厚度，分別對樁-網復合地基樁土應力進行了連續觀測。結果表明：在墊層底面加筋材料加鋪層數相等的條件下，加筋材料的鋪設位置對復合地基的樁頂土壓力和樁間土表面土壓力影響有限；加筋材料鋪設在墊層以下不同位置，樁-網復合地基中樁土應力比增加；填土高度為10～100 cm時，加筋墊層頂面樁間土內的土壓力平均值隨墊層厚度增加而提高。通過模型試驗，為經濟合理地設計樁-網結構提供科學依據。

關鍵詞：樁-網復合地基樁；樁土應力；加筋墊層；拱效應

中圖分類號：U416.1+1 A 19 056 5

0 引言

樁-網結構是指天然地基在地基處理過程中下部土體得到豎向增強體——“樁”，上部鋪設水平向增強體——“網”，從而形成樁土復合地基加固區，使樁－網－土協同作用、共同承擔荷載［1-2］。樁－網結構加固技術有工后沉降小、變形易控制、穩定性高、施工方便等優點，其最大的優點是路堤竣工后無須放置較長時間，因此適宜于工期短的情況。此外，對于深厚軟土、濕陷性黃土地基，較宜采用樁－網結構加固［3］。樁－網加固工法最早出現在20世紀70年代中期的日本，主要對高等級道路所經軟土地基進行加固，在控制路基殘余變形方面較有優勢。在中國起步較晚，屬于比較新的一種工法［4］。

由于加筋墊層的存在，提高了樁土的應力分擔比，減少了樁間土所承擔的荷載，起到控制路基不均勻沉降的作用［5-6］，同時也減小了對上部軌道結構的不利影響；加筋墊層還可限制土體的側向變形和位移。因此，加筋墊層的設計對于樁－網結構路基來說至關重要［7-8］。工程中常采用碎石墊層，此墊層的力學性質易于控制，因此確定土工格柵的強度是加筋墊層的設計重點［9］。本文通過模型試驗對樁－網結構路基加筋墊層進行設計研究，探討路堤荷載下不同位置的加筋材料對樁-網復合地基樁土應力的影響，為經濟合理地設計樁－網結構提供科學依據。

1 試驗方案設計

1.1 試驗裝置及材料

本試驗采用1 440 mm（長）×1 440 mm（寬）×1 500 mm（高）的磚砌長方體槽，模型槽平面和立面示意圖如圖1所示。

為了減小模型槽內壁與路堤填料之間摩擦力對試驗的影響，試驗采用在模型槽內壁“掛貼”塑料薄膜的方法來減少摩擦，并且在每次分層填筑前，用細砂將模型槽內壁磚與磚之間砂漿不飽滿處填塞飽滿，保證塑料薄膜平整。

試驗采用的模型樁為C20預制素混凝土樁，樁截面為圓形。模型的樁長為30 cm，樁直徑為10 cm（原型樁的直徑為50 cm，相似比為1∶5）；模型樁采用正三角形布置。每個模型試驗共布置7根樁，中心樁圓心與模型槽對角線交點（即模型槽中心）重合；其余6根樁以中心樁樁心為固定點，按規定樁間距依次布置。然后依次進行：裝填樁間土→布放墊層底面土壓力盒→鋪設碎石墊層及土工網→布置墊層頂面土壓力盒→填筑路堤填料。

1.2 試驗測點布置

1.2.1 墊層底面土壓力盒的布置

墊層底面共布置3個土壓力盒，土壓力盒頂面與樁頂在同一平面上。其中，在墊層底面中心樁樁頂布置1個土壓力盒A，測樁頂土壓力；在墊層底面樁間土表面的兩個部位各布置1個土壓力盒（土壓力盒1a位于兩樁中心，土壓力盒2a位于正三角形的形心位置），測樁間土表面土壓力。墊層底面土壓力盒布置情況如圖2所示。4個試驗中，樁間土表面土壓力盒分別布置在4個不同的正三角形中。

1.2.2 墊層頂面土壓力盒的布置

墊層頂面同樣布置3個土壓力盒。其中，在墊層頂面中心樁樁頂范圍內布置1個土壓力盒B，測墊層頂面中心樁樁頂范圍內的土壓力；在墊層頂面樁間土范圍內的兩個部位各布置1個土壓力盒（土壓力盒1b位于兩樁中心，土壓力盒2b位于正三角形的形心位置），測墊層頂面樁間土范圍內的土壓力，同樣墊層頂面土壓力盒布置示意圖類似于圖2。

1.3 試驗分組

按墊層是否加筋、墊層厚度的不同以及墊層中加筋材料夾鋪位置的不同，共進行4個獨立試驗，具體如表1所示。

2 試驗結果及分析

通過對4個獨立試驗墊層底面和頂面土壓力進行連續觀測，揭示了加筋墊層底面、頂面土壓力的變化規律以及墊層加筋與否、加筋墊層厚度、加筋材料夾鋪位置對樁-網復合地基樁土應力比和路堤填土中拱效應變化的影響。

2.1 無筋墊層（6，0）試驗

由圖3可以看出，填筑過程中，當填土高度＜10 cm時，中心樁樁頂和樁間土表面土壓力基本相同；當填土高度＞10 cm時，中心樁樁頂土壓力的增幅遠大于樁間土表面土壓力的增幅。當填土高度為100 cm時，墊層底面的中心樁樁頂土壓力為41.03 kPa，大于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力16.80 kPa；樁間土表面1a、2a處土壓力分別為10.56 kPa、10.11 kPa，均小于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力。墊層頂面的中心樁樁頂范圍內土壓力為26.43 kPa，大于按填土高度、重度計算所得的土壓力15.60 kPa；樁間土表面范圍內1b、2b處土壓力分別為9.64 kPa、9.01 kPa，均小于按填土高度、重度計算所得的土壓力。由此表明兩者土壓力的分布都是不均勻的。

2.2 加筋墊層（6，3）試驗

由下頁圖4可以看出，填筑過程中，當填土高度＜20 cm時，墊層頂面中心樁樁頂范圍內和樁間土表面土壓力基本相同；當填土高度＞20 cm時中心樁樁頂土壓力的增幅遠大于樁間土表面土壓力的增幅。當填土高度為100 cm時，墊層底面中心樁樁頂土壓力為42.56 kPa，大于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力16.80 kPa；樁間土表面1a、2a處土壓力分別為10.16 kPa、9.67 kPa，均小于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得土壓力。墊層頂面圖中心樁樁頂范圍內土壓力為22.83 kPa，大于按填土高度、重度計算所得的土壓力15.60 kPa；樁間土表面范圍內1b、2b處土壓力分別為10.06 kPa、9.66 kPa，均小于按填土高度和填土重度計算所得的土壓力。兩者均表明土壓力的分布是不均勻的。

2.3 加筋墊層（10，5）試驗

由圖5可以看出，填筑過程中，當填土高度＜20 cm時，墊層頂面中心樁樁頂范圍內和樁間土表面土壓力基本相同；當填土高度＞20 cm時中心樁樁頂土壓力的增幅遠大于樁間土表面土壓力的增幅。當填土高度為100 cm時，中心樁樁頂土壓力為50.63 kPa，大于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力16.80 kPa；樁間土表面1a、2a處土壓力分別為10.24 kPa、10.47 kPa，均小于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力。中心樁樁頂范圍內土壓力為20.69 kPa，大于按填土高度、重度計算所得的土壓力15.60 kPa，樁間土表面范圍內1b、2b處土壓力分別為11.01 kPa、10.68 kPa，均小于按填土高度、重度計算所得的土壓力。兩者均表明土壓力的分布是不均勻的。

2.4 加筋墊層（6，1.5）試驗

從圖6可以看出，填筑過程中，當填土高度＜10 cm時，墊層頂面中心樁樁頂范圍內和樁間土表面土壓力基本相同；當填土高度＞10 cm時中心樁樁頂土壓力的增幅遠大于樁間土表面土壓力的增幅。當填土高度為100 cm時，中心樁樁頂土壓力為43.99 kPa，大于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力15.23 kPa，樁間土表面1a、2a處土壓力分別為9.94 kPa、9.79 kPa，均小于按填土高度、重度和墊層厚度、重度計算所得的土壓力。中心樁樁頂范圍內土壓力為23.43 kPa，大于按填土高度、重度計算所得土壓力15.60 kPa，樁間土表面范圍內1b、2b處土壓力分別為9.63 kPa、9.46 kPa，均小于按填土高度、重度計算所得土壓力。兩者均表明土壓力的分布是不均勻的。

3 加筋材料夾鋪位置的試驗分析

3.1 墊層底面土壓力與樁土應力比變化

由圖7可以看出，在填筑過程中，加筋墊層（6，1.5）與加筋墊層（6，3）底面中心樁樁頂土壓力均隨著填土高度的增加而增大，且增加的趨勢基本相同，但加筋墊層（6，1.5）底面中心樁樁頂、（6，3）底面樁間土表面土壓力均略大。由此表明在加筋材料夾鋪層數相等的條件下，加筋墊層中加筋材料的夾鋪位置對樁-網復合地基中樁頂土壓力和樁間土表面土壓力均有一定的影響，但影響有限。

同時由圖7可以看出，在填筑過程中，加筋墊層（6，3）與加筋墊層（6，1.5）底面的樁土應力比均隨填土高度的增加而增大，加筋墊層（6，1.5）底面的樁土應力略大。

這表明在加筋材料夾鋪層數相等的條件下，改變加筋墊層中加筋材料的夾鋪位置對樁-網復合地基的樁土應力比有一定的影響，與加筋材料夾鋪在墊層中部相比，將加筋材料夾鋪在墊層的下部可使樁土應力比略有提高。降低加筋墊層中加筋材料夾鋪位置的根本目的是為了限制樁體向墊層的刺入及荷載向樁間土的轉移，從而達到提高樁土應力比、充分利用樁體承載力的目的。從試驗結果來看，降低加筋墊層中加筋材料的夾鋪位置起到了提高樁土應力比的目的。

3.2 墊層頂面土壓力與樁土應力比變化

由圖8可以看出，在填筑過程中，加筋墊層（6，3）與加筋墊層（6，1.5）頂面中心樁樁頂范圍內的土壓力和土應力均隨著填土高度的增加而增大。當填土高度為0～10 cm、0～20 cm時，加筋墊層（6，1.5）與加筋墊層（6，3）頂面中心樁樁頂和樁間土范圍內的土壓力基本相同；當填土高度為10～100 cm、20～100 cm時，加筋墊層（6，1.5）頂面中心樁樁頂范圍內的土壓力略大、加筋墊層（6，3）頂面樁間土范圍內的土壓力平均值大于加筋墊層（6，1.5）頂面樁間土范圍內的土壓力平均值。由圖8（c）可以看出，加筋墊層（6，1.5）底面的樁土應力比大于加筋墊層（6，3）底面的樁土應力比。

因此，加筋墊層（6，1.5）上部路堤填土的拱效應大于加筋墊層（6，3）上部路堤填土的拱效應。由于條件的限制，試驗得出的樁土應力比雖不能較全面地反映路堤荷載下樁-網復合地基中樁、土分擔荷載的情況，但足以定性描述路堤填筑過程中荷載轉移的過程。

4 結語

本文通過對試驗數據進行對比分析，得到以下結論：

（1）在加筋材料夾鋪層數相等的條件下，加筋墊層中加筋材料的夾鋪位置對樁-網復合地基中樁頂土壓力和樁間土表面土壓力均有一定的影響，但影響有限。

（2）從試驗結果來看，降低加筋墊層中加筋材料的夾鋪位置起到了提高樁土應力比的目的。

（3）試驗得出的樁土應力比雖不能較全面地反映路堤荷載下樁-網復合地基中樁、土分擔荷載的情況，但足以定性描述路堤填筑過程中荷載轉移的過程。

參考文獻

［1］龔曉南.復合地基理論及工程應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［2］龔曉南.廣義復合地基理論及工程應用［J］.巖土工程學報，2007（1）：1-13.

［3］陳昌富，李 欣，毛鳳山.基于正交數值試驗法深厚軟土區復合地基按沉降控制優化設計［J］.公路工程，2018，43（2）：49-53，107.

［4］黃俊杰，王 薇，蘇 謙，等.素混凝土樁復合地基支承路堤變形破壞模式［J］.巖土力學，2018，39（5）：1 653-1 661.

［5］周 虎，趙 輝，周 歡，等.自適應精英反向學習共生生物搜索算法［J］.計算機工程與應用，2016，52（19）：161-166.

［6］ Do Dieu，Lee Jaehong.A modified symbiotic organisms search（mSOS）algorithm for optimization of pin-jointed structures［J］.Applied Soft Computing，2017（61）：683-699.

［7］廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司.興寧至汕尾高速公路汕尾段一期工程工程地質勘察報告［R］.2016.

［8］Finno Richard J，Harahap Indra S.Finite Element Analyses of HDR-4 Excavation［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1991，117（10）：1 590.

［9］Clough G W，Duncan J M.Finite element analyses of retaining wall behavior［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1971，97（12）：1 657-1 673.

收稿日期：2023-10-20