樁與土工格柵聯合處理軟土地基中土工格柵的作用效果分析

黃 磊 趙翠英 姚新亮

（大連開發區規劃建筑設計院，遼寧 大連 116600）

1 前言

在市政道路的修筑過程中，經常遇見大面積且具有較大深度的淤泥或淤泥質土等高壓縮性軟弱路基土層，為了保證路基的穩定性及滿足其承載力要求，需對軟弱的路基土進行處理。傳統的地基處理方法如真空聯合堆載預壓、堆載預壓等方法不僅建設成本高，而且施工效率低，工期長，往往不能滿足市政道路施工短周期的要求。因此在市政道路軟基處理中采用樁與土工格柵聯合作用來加固軟土地基，可以滿足施工周期要求，而且是較經濟的做法。

樁與土工格柵聯合處理軟土地基是指在用群樁基礎豎向加固軟土地基的同時，在樁頂上再鋪設土工格柵加筋墊層，形成平鋪加筋群樁復合地基。這樣可以在使路基承載力達到要求的同時，利用土工格柵的水平加筋作用提高其穩定性并減少不均勻沉降。

筆者以大連金州新區城北工業區某路軟基處理工程為依托，采用有限元方法建立樁與土工格柵聯合加固地基的路堤有限元模型，對其進行彈塑性數值計算，對樁與土工加筋層聯合作用進行有限元分析，并對比不設土工加筋層時加固效果。

2 工程背景

大連金州新區城北工業區某路K4+500～K5+750段位于青云河流域附近路基土質存在較深的淤泥質土，成層狀連續分布，土質極差，承載力低，最大層厚在8米左右。由于工期限制，為保證道路建成后通車安全并滿足使用要求，設計擬采用樁與土工格柵加筋墊層聯合加固方案減小路基沉降，提高地基強度和穩定性。

圖1 有限元網格劃分

圖2 堤沉降變形(放大50倍)

道路面層為瀝青混凝土，厚0.13m。路基填土高5m，道路紅線寬40m，加固區地基土厚8m，底部是5m厚堅硬土層作為持力層。加固措施采用低強度剛性樁復合地基加固，樁直徑0.6m，樁長8m，樁間距按1.5mX1.5m布置，置換率為0.1256，路堤下鋪設0.3m厚碎石褥墊層，墊層上鋪設1層土工格柵，形成樁與土工格柵加筋墊層聯合作用的符合地基，如圖1所示。

建立該標段路堤典型斷面的二維有限元模型，考慮到對稱性，僅取路基的一半進行分析。路堤的有限元模型如圖2所示。土工格柵采用彈性體模擬，軸向剛度EA=2000kN/m；樁體采用無孔隙滲透的線彈性體模擬；土體均采用彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則。路基各土層及樁體具體參數如表1所示。

路堤土與樁的計算參數

3 計算分析結果

填土路堤復合地基中樁體和樁間土的沉降量是不相等的，為提高復合地基樁土荷載分擔比及復合地基承載力，減小復合地基沉降，往往會在復合地基與基礎之間鋪設一層剛度較大的墊層，如本工程中的土工格柵加筋墊層。為了研究土工格柵的加固效果，筆者將對比不設土工格柵與鋪設土工格柵兩種情況路基的沉降和承載力。

圖2是填土路基與樁、土工格柵加筋復合地基沉降圖。從圖2可以看出：路堤及樁體均產生了水平側向位移及豎向沉降，由于樁體的擠土作用，路堤邊坡及坡腳處地基土產生隆起；最大沉降位置出現在路面范圍內。

土工格柵在路堤受壓過程中起到了類似抗拉膜的作用(圖3)，對土體的側向擠出產生約束作用，從而可以限制側向位移，減小側向隆起，提高地基的承載力；同時可以使地基中的應力重新分布，沿地基橫截面的地基應力趨于均勻，從而減小了地基的不均勻沉降。

由圖4可知，未設置土工格柵路基最大水平位移為44mm，設置土工格柵最大水平位移為26mm，相比未設置土工格柵水平位移減小40.9%。土工格柵抗拉作用有效改善了路基水平位移，增加路基穩定性。

圖3 土工格柵的抗拉膜作用

圖4 水平位移等值線對比圖

圖5 路基荷載-沉降曲線

表2 不同地基的承載力

由圖5可知設置土工格柵路基承載力為378Kpa，不設土工格柵路基承載力為324Kpa，承載力提高17%。經過計算可以得到有土工格柵和無土工格柵2種情況下不同地基的承載力(表2)以及地基的荷載一沉降曲線(圖 6)。

由表2可以看出：路堤地基承載力隨著地基土剛度模量的減小而減小；當加鋪土工格柵后，不同模量地基的承載力均有不同程度的提高；當地基土為剛度較小的淤泥或淤泥質土時，鋪設土工格柵對地基承載力的提高效果明顯，承載力最大增加量達到50 kPa，地基承載力提高25%。這說明土工格柵更適用于壓縮變形量大的軟弱地基土加固處理。在路面受到不同荷載作用時，格柵能減小地基的沉降變形；當荷載值較小時，土工格柵減小沉降的作用并不明顯，隨著荷載的不斷增大，地基的沉降量也增加，格柵減小沉降的幅度也越來越大，即協調樁與樁間土變形的效果越明顯；地基土剛度越小，土工格柵發揮的作用也就越明顯。

4 結論

綜合以上分析可知，在復合地基樁體頂部加鋪土工格柵加筋墊層，樁與土工格柵聯合加固處理地基過程中，土工格柵起到類似抗拉膜的作用，以控制地基的不均勻沉降。對于提高地基的承載力以及在減小沉降增加地基穩定性方面均能起到積極作用。從計算結果可知，加鋪土工格柵加筋墊層在處理剛度較小的的淤泥或淤泥質土等軟弱地基土時土工格柵所發揮的作用顯著高于處理剛度較大的砂土等地基土。

[1]趙明華，張玲，鄒新軍.土工格室碎石樁雙向增強復合地基研究進展[J].中國公路學報，2009,1（1）：1-9

[2]劉春，趙洪波，白世偉.土工格柵在治理軟土路基沉降問題中的研究 [J].巖土力學，2003，24(6)：1070-1073.

[3]錢勁松，凌建明，黃琴龍.土工格柵加筋路堤的三維有限元分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2003，31(12)：1421-1425.

[4]張興強，閆澍旺，鄧衛東.交通荷載作用下土工格柵加筋路基的彈塑性分析[J].振動工程學報，2001，14(3)：278-283.