樁與土工格柵聯(lián)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(fā)區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116600）

1 前言

在市政道路的修筑過程中，經(jīng)常遇見大面積且具有較大深度的淤泥或淤泥質(zhì)土等高壓縮性軟弱路基土層，為了保證路基的穩(wěn)定性及滿足其承載力要求，需對軟弱的路基土進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的地基處理方法如真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、堆載預(yù)壓等方法不僅建設(shè)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(lián)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(jīng)濟(jì)的做法。

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

筆者以大連金州新區(qū)城北工業(yè)區(qū)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(lián)合加固地基的路堤有限元模型，對其進(jìn)行彈塑性數(shù)值計(jì)算，對樁與土工加筋層聯(lián)合作用進(jìn)行有限元分析，并對比不設(shè)土工加筋層時加固效果。

2 工程背景

大連金州新區(qū)城北工業(yè)區(qū)某路K4+500～K5+750段位于青云河流域附近路基土質(zhì)存在較深的淤泥質(zhì)土，成層狀連續(xù)分布，土質(zhì)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(shè)計(jì)擬采用樁與土工格柵加筋墊層聯(lián)合加固方案減小路基沉降，提高地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖1 有限元網(wǎng)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(qū)地基土厚8m，底部是5m厚堅(jiān)硬土層作為持力層。加固措施采用低強(qiáng)度剛性樁復(fù)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(shè)0.3m厚碎石褥墊層，墊層上鋪設(shè)1層土工格柵，形成樁與土工格柵加筋墊層聯(lián)合作用的符合地基，如圖1所示。

建立該標(biāo)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(jìn)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(zhǔn)則。路基各土層及樁體具體參數(shù)如表1所示。

路堤土與樁的計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算分析結(jié)果

填土路堤復(fù)合地基中樁體和樁間土的沉降量是不相等的，為提高復(fù)合地基樁土荷載分擔(dān)比及復(fù)合地基承載力，減小復(fù)合地基沉降，往往會在復(fù)合地基與基礎(chǔ)之間鋪設(shè)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(shè)土工格柵與鋪設(shè)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(fù)合地基沉降圖。從圖2可以看出：路堤及樁體均產(chǎn)生了水平側(cè)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(chǎn)生隆起；最大沉降位置出現(xiàn)在路面范圍內(nèi)。

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(cè)向擠出產(chǎn)生約束作用，從而可以限制側(cè)向位移，減小側(cè)向隆起，提高地基的承載力；同時可以使地基中的應(yīng)力重新分布，沿地基橫截面的地基應(yīng)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(shè)置土工格柵路基最大水平位移為44mm，設(shè)置土工格柵最大水平位移為26mm，相比未設(shè)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(wěn)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(shè)置土工格柵路基承載力為378Kpa，不設(shè)土工格柵路基承載力為324Kpa，承載力提高17%。經(jīng)過計(jì)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(dāng)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(dāng)?shù)鼗翞閯偠容^小的淤泥或淤泥質(zhì)土?xí)r，鋪設(shè)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(dá)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(dāng)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(xié)調(diào)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(fā)揮的作用也就越明顯。

4 結(jié)論

綜合以上分析可知，在復(fù)合地基樁體頂部加鋪土工格柵加筋墊層，樁與土工格柵聯(lián)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(wěn)定性方面均能起到積極作用。從計(jì)算結(jié)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(zhì)土等軟弱地基土?xí)r土工格柵所發(fā)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(qiáng)復(fù)合地基研究進(jìn)展[J].中國公路學(xué)報(bào)，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(xué)，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(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，31(12)：1421-1425.

[4]張興強(qiáng)，閆澍旺，鄧衛(wèi)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(xué)報(bào)，2001，14(3)：278-283.