加筋墊層設計參數對水平位移影響數值分析

王朋

（河北中核巖土工程有限責任公司河北石家莊050021）

加筋墊層設計參數對水平位移影響數值分析

王朋

（河北中核巖土工程有限責任公司河北石家莊050021）

深層攪拌樁聯合加筋墊層進行地基處理在公路、鐵路路基工程中應用的較多，但是加筋墊層的組成如筋材剛度、筋-土界面摩擦系數及砂墊層厚度等因素對水平位移的減小作用具體有多大，目前尚無統一認識。本文建立平面應變的數值計算模型，通過改變土工格柵的抗拉剛度及其與墊層間的界面摩擦剛度、砂墊層厚度等因素，分析路基施工過程中軟土地基的水平向變形特性，所得結論對于工程具有指導意義。

深層攪拌樁加筋墊層數值分析水平位移變形特性

1　引言

水泥土深層攪拌樁（DMP樁）聯合加筋墊層法是一種有效的軟土地基處理方法，該法用來解決許多軟土地基上的路基工程，如減小軟土地基中水平位移及實現路堤的快速填筑[1]。該法應用中，不同筋材的抗拉剛度及砂墊層與筋材之間的摩擦特性均對水平位移的發展有很大的影響。墊層與筋材之間的協調作用與變形機理是較為復雜的問題，目前尚無統一認識。本文采用數值分析方法，可直觀的反應砂墊層與土工格柵協調工作及軟土地基的變形特性，分析了筋材抗拉剛度、筋土界面摩擦剛度及砂墊層厚度對軟土地基水平向變形特性的影響，從而為工程設計做一定的指導。

2　數值分析模型

2.1DMP樁的平面應變等效

假設沿縱向水平位移忽略不計，數值分析可采用平面應變計算模型。樁體采用正方形布置，為空間問題。為簡化計算，可采用等效樁墻法[2～4]，將空間問題轉化為平面應變問題來考慮。本文采用置換率等效方法，按照公式（1）對DMP樁彈性模量進行等效計算。

式中，Ee為DMP樁墻的彈性模量，Es為樁長范圍內各層土彈性模量的加權平均值，A為樁截面面積，D為樁徑，l為樁中心距。DMP樁樁體強度fcu采用400kPa，根據規范[5]，Ep=（100～200）fcu，取中間值，即彈性模量Ep為60MPa。

2.2材料計算模型及參數選取

建立2D平面應變有限元模型，樁及土單元均采用6節點三角形單元，材料模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，土體采用的計算參數見表1。土工格柵采用只受拉應力。樁體采用線彈性模型。

表1　有限元分析參數

2.3數值分析計算模型

采用對稱建模：路基寬8m，坡度1:1.5，地基土寬度50m，深度38m。中心線及右邊水平向約束，底部全約束。通過激活與殺死單元，控制計算載荷步來控制堆高來模擬分步施工。水泥土攪拌樁（DMP）樁長18m。分析采用樁徑500mm，樁間距2.0m，砂墊層厚度600mm。根據公式（1）及表（1）中各層地基土的彈性模量，計算得到樁墻的等效彈性模量Ee為60MPa。有限元網格劃分見圖1。路堤土分6層填筑，填土歷時曲線見圖2。

圖1　有限元網格劃分

圖2　堆高歷時曲線

3　計算結果分析

3.1土工格柵抗拉剛度

取一層筋材進行計算，布置在墊層中間。界面摩擦剛度選擇為1.0。抗拉剛度為4000、2000、1000、500、30 kN/m，不考慮筋材拉斷。路堤坡腳地表A點距離坡腳分別為1.3m。圖3為不同土工格柵抗拉剛度對A出地基剖面上水平位移影響的對比圖。

由圖3可見，隨著土工格柵抗拉剛度EA值的4000kN/m減小到30kN/m，A點地表以下至7.5m深度范圍內水平位移將增大，增大的幅度約10%。深度7.5m以下，側向位移幾乎不受抗拉剛度變化的影響。可見，在堆高8m時，土工格柵抗拉剛度僅對淺層地基土的側向位移有減小作用。土工格柵抗拉剛度超過2000kN/m后，其對于減小淺層水平位移的作用提高不大。

圖3　堆高8m抗拉剛度-側向位移圖

3.2摩擦剛度

土工格柵與砂墊層之間的摩擦剛度，指的是墊層與土工格柵之間的摩擦力與砂墊層強度的比值，即將砂墊層的強度進行一定的折減，作為界面的強度。當摩擦力超過此強度后，界面斷開。界面摩擦剛度R按照0.6～1.0考慮。取兩層筋材進行計算，均勻布置在墊層中間。抗拉強度選擇60kN/m。路基堆高為6m時的摩擦剛度的對坡腳水平位移的影響見圖4。

由圖4可見，當堆高為6m時，土工格柵與砂墊層之間的界面剛度為1.0、0.8、0.7和0.6，對水平位移的影響很小。其主要影響范圍為深度7.8m以上，即為堆載體平均寬度的0.35倍左右。

圖4　堆高6m界面摩擦剛度-水平位移圖

圖5為界面摩擦剛度與堆高的關系。由圖可見，隨著摩擦剛度的增大，堆高是增大的，并且增大逐漸趨緩。

圖5　界面摩擦剛度-極限堆高曲線

3.3砂墊層厚度

取兩層筋材進行計算，均勻布置在墊層中間。抗拉強度選擇30kN/m,摩擦剛度選擇為0.8。砂墊層厚度對側向位移的影響見圖6。由圖6可以看出，墊層厚度從400mm增大到600mm，坡腳處A點最大水平位移Sx遞減趨勢較明顯，當厚度超過700mm，厚度h再增大，水平位移Sx減小趨勢減小。可見，砂墊層厚度不宜過小，過小厚度不利于減小側向位移，過大對減小側移作用也不大。考慮到砂墊層與筋材的摩擦及砂墊層的應力擴散作用，取400～700mm是較為合適的。

圖6　側向位移Sx與墊層厚度h的關系

4　結論及建議

通過以上研究，對于水泥土攪拌樁聯合加筋墊層處理的軟土地基，加筋墊層對于路堤坡腳水平位移的影響，得到了以下結論：

（1）土工格柵抗拉剛度變化對軟土地基水平位移的影響主要集中在地基淺部，約為堆載體平均寬度0.2倍范圍內。抗拉剛度從4000kN/m降到30kN/m，淺部側向位移約增大10%。

（2）砂墊層與土工格柵間的界面摩擦剛度選擇0.8～1.0進行數值分析，對坡腳水平位移影響不大，但隨著摩擦剛度的降低，會導致極限堆高的減小。

（3）土工格柵與砂墊層之間的界面摩擦剛度對坡腳水平位移的影響同樣集中在淺部，且對側向位移的影響很小。

（4）砂墊層厚度對于減小側向位移有一定的作用。當砂墊層厚度超過某個值后，減小側向位移的作用有限。加筋墊層的合理厚度在400～700mm之間。

[1]胡立科.樁承加筋土復合地基性狀試驗研究與有限元分析.浙江大學,2008.

[2]陳福全、楊敏.地面堆載作用下臨近樁基性狀的數值分析[J].巖土工程學報，2005,27（11）:1286～1290.

[3]Chai Jin-chun,Shen Shui-long.Simple method of modeling PVD-improved subsoil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001,127（11）:965～972.

[4]葉觀寶，廖星樾，高彥斌等.長板-短樁工法處理高速公路軟土地基的數值分析[J].巖土工程學報，2008,30（2）：232～236.

[5]中華人民共和國行業標準編寫組.JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2002.

TU472.3+6[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-462-2

王朋（1981～），工程師，研究方向為巖土工程勘察、地基處理及基坑支護。