土工格柵復合夯實水泥土樁-土界面接觸特性分析

曹祚省，何 杰，楊彥忠，饒遷根，孟森松

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

土工格柵復合夯實水泥土樁-土界面接觸特性分析

曹祚省，何 杰，楊彥忠，饒遷根，孟森松

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

針對樁-土接觸面的摩擦特性，在夯實水泥土樁-土界面中設置土工格柵，以增強夯實水泥土樁-土的相互作用。采用三維數值軟件模擬直接剪切試驗和靜載試驗，對土工格柵復合夯實水泥土樁-土界面接觸特性進行分析，研究土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸面的應力、變形和強度的變化規律。結果表明：土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸界面的摩阻力峰值有所增加，達到峰值后，摩阻力曲線下降速率緩慢；靜載試驗中，在夯實水泥土樁表面復合土工格柵后，對應的基礎沉降比普通夯實水泥土樁復合地基的沉降小，且夯實水泥樁的軸向壓縮變形也小。

接觸面；土工格柵；水泥土；摩阻力；FLAC3D

1 研究背景

夯實水泥土樁復合地基由于加固效果明顯、成本低而廣泛運用于軟弱土地基處理。其中，樁與土的摩阻特性和樁對土的擠密作用共同構成了影響復合地基承載特性的主要因素[1]，而樁-土界面的摩阻特性研究與不同結構物之間的界面摩擦特性研究密切相關。近年來，許多學者針對不同結構物之間的界面摩擦特性展開了研究。

J. G. Potyondy[2]通過土與混凝土的接觸面直剪試驗，得出了影響界面摩擦強度的四大主要因素：土的性質、土的含水量、接觸面的粗糙度和作用在接觸面上的法向應力。徐超等人[3]進行了土與土工合成材料的接觸面直剪試驗，指出摩阻力有明顯的峰值和殘余值。楊廣慶等人[4]對土工格柵與填料的界面摩擦進行了研究，指出有多種因素影響土工格柵界面摩擦強度，其中包括格柵的參數與填料的性質。王仕傳等人[5]應用有限單元法，分析了筋土界面的力學行為，研究了筋土界面摩阻力，得出了筋材拉伸變形的分布特點。王偉等人[6]利用直剪試驗研究了土與其它結構接觸面的力學特性，提出了應力-位移的復合指數模型。劉文白等人[7]也進行了加筋物與土的界面摩擦試驗，包括直剪試驗和拉拔摩擦試驗，得出了界面摩擦角和界面凝聚力的概念。張明義等人[8]改進了直剪試驗儀器，提出樁-土接觸面的摩阻力具有時效性，而摩阻力與時間的關系是呈雙曲線狀增長，并且在沉樁的模擬計算中，可以用外摩擦角或者摩擦因數作為計算參數。楊麗君等人[9]通過調整土的含水量，研究了土與樁的單剪試驗，指出隨著土的含水量增大，接觸面的抗剪強度和摩擦角會減小，而接觸面的黏聚力則先增大后減小。周凱等人[10]通過研究不同接觸界面的摩擦試驗，得出不同法向應力下的應力-應變曲線關系。

在傳統樁基設計方法中，天然地基的原有承載力忽略不計。隨著基礎工程技術的發展，人們認識到傳統樁基設計方法中，不考慮樁間土的承載作用會導致工程資源的浪費，于是才衍生出了過渡型基礎-復合樁基。本文基于復合樁基的理論，在樁與土的接觸面中設置土工格柵，以增強樁與土的相互作用，并充分調動樁間土承載，提高基礎承載力。

雖然針對不同結構物之間接觸面摩擦特性的研究比較全面，但是也僅限于研究兩種結構物的界面摩擦特性，而由土、土工格柵、水泥土三者組成的接觸面摩擦性能研究還鮮見報道。本文借鑒他們的研究成果，采用有限差分軟件FLAC3D模擬適用于剪切位移較小的土-土工格柵-水泥土界面直剪試驗和復合土工格柵的群樁靜載試驗，對界面接觸特性、樁側摩阻力、樁的軸向變形和地基沉降進行研究。

2 土工格柵、水泥土、土接觸界面分析

2.1 基本假定

為了計算簡便，本文在數值模擬過程中對有關因素進行適當簡化和假定：

1）因排水固結引起的土體強度變化忽略不計；

2）剪切位移達到7mm后試驗終止；

3）上下盒分界面假定為剪切面；

4）豎向荷載分50，100，200，300kPa四級施加；

5）剪切過程中，下盒用速度邊界代替應力邊界，由此產生對結果數據的影響忽略不計。

復合格柵與不復合格柵的直剪試驗模型分別為1#模型和2#模型，直剪試驗示意圖如圖1所示。

圖1 直剪試驗示意圖Fig.1 The diagram of direct shear test

2.2 模型建立

試樣是半徑為30.9mm、高為20mm 的圓柱體（模型尺寸與室內模型試驗一致），其中上盒為土體，下盒為水泥土試樣，中間接觸面處設置土工格柵。模型網格如圖2所示。

圖2 模型圖（1#模型）Fig.2 The model figure of direct shear test（1# model）

模擬前，先對模型邊界條件進行簡化，法向加載用應力邊界代替，剪切裝置用位移邊界代替。相應的應力邊界為：在土體頂部分別施加法向應力50, 100, 200, 300kPa。位移邊界條件為：首先在x, y, 三個方向固定上盒；然后固定下盒x, y方向；最后在下盒方向施加水平速度，用Step時步控制總位移為7 mm。

2.3 模擬步驟

1）用Cylinder單元模擬土和水泥土試樣；

2）用Shell單元模擬上盒與下盒；

3）土和水泥土試樣之間設置土工格柵單元，并設置格柵的參數；

4）在土、水泥土和剪切盒之間設置接觸面；

5）設定計算模型、材料參數、接觸面參數等；

6）設置邊界條件，上盒施加x和 兩個方向的位移約束，下盒施加x方向的位移約束；

7）在上盒頂面施加各級法向壓力；

8）在下盒施加 方向速度，用Step命令控制終止位移為7mm。

2.4 模擬結果分析

在各法向應力作用下，土-土工格柵-夯實水泥土接觸界面的摩阻力與位移的關系如圖3所示。

圖3 不同法向應力時的摩阻力曲線Fig.3 Frictional resistance curve under different normal stress

由圖3可以看出：

1）在剪切位移相同的條件下，1#模型接觸界面所對應的摩阻力大于2#模型所對應的摩阻力。

2）隨著法向應力的增加，1#模型和2#模型的摩阻力均有一定幅度的提高。1#模型在4種法向應力作用下，其接觸界面摩阻力的峰值分別為38.32, 72.78, 122.72, 217.02kPa；2#模型接觸界面摩阻力的峰值分別為30.59, 60.13, 100.26, 175.39kPa。1#模型摩阻力發揮到峰值時的剪切位移值大于2#模型摩阻力發揮到峰值時的剪切位移值。

3）摩阻力達到峰值后，1#模型摩阻力的下降速率小于2#模型的下降速率。

以上現象表明：在夯實水泥土樁表面復合土工格柵能有效增強樁-土的相互作用，改善樁土之間的摩擦性能，充分調動樁周土體的工作性能。

3 群樁靜載試驗

3.1 基本假定

1）不考慮因排水固結引起土體強度的變化；

2）不考慮加載時因荷載分布不均對復合地基承載產生的影響；

3）樁體共9根，采用正方形布樁（如圖4所示），復合地基面積置換率為0.16；

4）荷載等級為10級，從20kPa到200kPa，荷載梯度為20kPa；

5）載荷板采用剛性材料，即不考慮因載荷板變形對復合地基工作性狀的影響。

試驗中，復合格柵的靜載試驗模型設為3#模型，不復合格柵的靜載試驗模型設為4#模型。

圖4 靜載試驗布置（3#模型）Fig.4 Static load test arrangement（3#model）

3.2 模型建立

試驗模型箱尺寸為：長2.0m，寬2.0m，高1.5m。由于模型為軸對稱，為便于分析計算，以中樁為對稱中心，取1/4模型為計算分析對象，即計算模型的尺寸為：長1.0m，寬1.0m，高1.5m（如圖5所示），樁徑0.075m，樁長0.9m，相應的加載面積為：長×寬=0.5m×0.5m。用應力邊界條件代替上部靜載，應力邊界為：在土體頂部按順序施加豎向應力20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200kPa，加載可以通過Fish語言來控制。

圖5 計算分析模型（3#）Fig.5 Model for computational analysis（3#）

3.3 模擬步驟

1）用Radcylinder單元模擬土和水泥土樁；

2）建立土工格柵復合夯實水泥土樁模型（3#模型，如圖6所示）和普通夯實水泥土樁模型（4#模型）；

3）設置樁-土接觸界面；

4）用Brick模擬上部荷載板；

5）設定計算模型、材料的參數、接觸面參數等。

6）設置邊界條件；

7）利用Fish語言在樁頂法向施加各級荷載。

圖6 土工格柵復合樁模型（3#）Fig.6 Model of composite pile with geogrids（3#）

3.4 結果分析

3.4.1 荷載-沉降關系

圖7為普通夯實水泥土樁復合地基、土工格柵復合夯實水泥土樁復合地基載荷板的荷載-沉降對比曲線。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 The curve for load and settlement

由圖7可以看出：

1）兩組復合地基的荷載-沉降曲線都屬于緩變型曲線。

2）在較小荷載（0～80kPa）作用下，2條曲線沒有明顯差別；隨著荷載的增大（大于80kPa），土工格柵復合夯實水泥土樁復合地基（3#模型）沉降速率開始小于普通夯實水泥土樁復合地基（4#模型），且隨著荷載的進一步增加，兩者之間的沉降差值越來越大。

3）根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》規定，當荷載-沉降曲線為平緩的光滑曲線時，對于以黏性土為主的夯實水泥樁復合地基的承載力特征值可取s/b或s/d等于0.01所對應的壓力值。由此可得，3#模型和4#模型的承載力特征值分別為：108.7kPa和103.2kPa。

以上現象表明：在夯實水泥土樁上復合土工格柵能有效提高復合地基的承載力，從而減小復合地基沉降。

3.4.2 樁身軸向變形

圖8為中心樁、角樁、邊樁在不同深度的軸向平均壓縮量隨荷載發展的變化規律。

圖8 樁身平均壓縮量變化規律Fig.8 The variation for average axial compression of pile

由圖8可以看出：

1）樁身壓縮量隨深度的增加而遞減。

2）隨著荷載的增加，樁身壓縮量增加，樁身壓縮的增量也增加。

3）在相同荷載作用下，3#模型中樁身的壓縮量小于4#模型中的樁身壓縮量，且沿深度方向，3#模型中樁身壓縮變形遞減速率小于4#模型中樁身壓縮變形的遞減速率。

4）在較大荷載作用下，3#模型淺層樁身的壓縮增量小于4#模型淺層樁身的壓縮增量。

以上現象表明：在夯實水泥土樁周復合土工格柵能有效限制樁體變形，起到提高樁體剛度的作用，可以防止樁體過早破壞，從而達到提高樁體承載能力的效果，且荷載越大，效果越明顯。

4 結論

本文通過直剪試驗和群樁靜載試驗的數值分析，對比研究了土工格柵復合夯實水泥土樁-土、普通夯實水泥土樁-土接觸面的應力、變形和強度的變化規律，可得如下結論：

1）土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸面的摩擦阻力峰值比普通夯實水泥土樁-土接觸面的摩擦阻力峰值大，增大約25%。

2）隨著接觸面法向應力的增大，土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸面與普通夯實水泥土樁-土接觸面的摩阻力均會提高，但土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸面的摩阻力發揮到峰值時的剪切位移值大于普通夯實水泥土樁-土接觸面的摩阻力發揮到峰值時的剪切位移值。

3）摩阻力達到強度峰值后，土工格柵復合夯實水泥土樁-土接觸面的摩阻力的下降速率小于普通夯實水泥土樁-土接觸面摩阻力的下降速率，且作用在接觸面的法向應力越大時，其摩阻力下降的速率越小于普通夯實水泥土樁-土的下降速率。

4）荷載相對較小時，在夯實水泥土樁上復合土工格柵的方法對減小基礎沉降的作用不明顯；但隨著荷載的增大，這種作用才會逐步體現，且隨著荷載的進一步增大，這種作用愈明顯。

5）在夯實水泥土樁上復合土工格柵能限制樁體變形，提高樁體剛度，減小樁體壓縮量，防止樁體過早破壞。

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（責任編輯：鄧光輝）

Study on the Contact Characteristics of Geogrid Composite Cement Soil Pile-Soil Interface

Cao Zuoxing，He Jie，Yang Yanzhong，Rao Qiangen，Meng Sensong
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Aiming at the interface friction traits of pile-soil, arranges the geogrid in the compacted soil cement pile -soil interface to enhance the interaction between rammed cement-soil pile and soil. Applies 3D numerical software to simulate direct shear test and static load test, analyzes the contact surface stress, deformation and intensity variation for the geogrid composite cement-soil pile and soil. The results show that the interface peak frictional resistance will increase, and the frictional resistance curve declines slowly when reaching the peak value; In the static load test, with geogrid around the pile, the corresponding subgrade settlement is smaller than that without geogrid, and the pile axial deformation is much smaller.

interface；geogrid；cement-soil；frictional resistance；FLAC3D

TU447

A

1673-9833(2014)02-0033-05

2014-01-13

國家自然科學基金資助項目（51108176）

曹祚省（1987-），男，湖南郴州人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為地基處理技術，

E-mail：281297761@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.007