筋箍樁復合地基技術在某渣土堆填工程中的應用研究

康三月，邱貞波，杲加俊，李恒恒，徐 輝

(1.浙江省隧道工程有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018)

1 概述

復合地基作為一種有效的地基處理技術，能充分發揮天然地基土的承載性能、有效協調地基的沉降變形，在國內外工程實踐中被廣泛應用。碎石樁因具有經濟、環保等優勢而常被用作復合地基的豎向增強體。然而，在不排水抗剪強度較低的軟土地基中，由于周圍土體的側向約束不足，碎石樁常發生鼓脹破壞[1]。為解決該問題，Van Impe[2]提出了筋箍樁的概念，即采用土工合成材料對樁體進行圍箍，限制樁體的側向鼓脹，從而可有效提高樁體承載能力。

目前，筋箍樁復合地基技術一直是國內外學者研究的熱門課題。Kwa等[3]通過模型試驗研究了筋箍樁加固軟黏土的性能，發現筋箍樁的極限承載力是普通碎石樁的1.6倍；Gu等[4]通過室內模型試驗發現筋箍樁的最優筋箍深度為樁體直徑的3～4倍；Yoo & Lee[5]通過試驗研究了筋箍樁改善軟土承載力及降低沉降的性能，發現筋箍段所提供的額外約束可大幅減少軟基沉降，Kadhim等[6]得出了類似的結論；楊有海[7]以研究加筋土強度為基礎，基于Brauns法建立了筋箍樁承載力計算模型，根據極限平衡理論，推導出單樁極限承載力計算公式，對筋箍樁復合地基的理論研究起到推動作用；陳昌富等人[8]依據Mohr-Coulomb屈服準則，將圓孔擴張理論引入到筋箍樁復合地基的承載力計算中，并且同時考慮土體自重，分析了塑性區半徑隨深度的變化規律，得到了筋箍樁復合地基承載力計算公式；Gao等[9]通過PLAXIS 2D軟件研究了筋箍樁在某路基工程中的應用，發現在樁頂以下3倍左右的深度范圍內對樁體進行筋箍，可有效減少路基沉降。綜上所述，國內外針對筋箍樁復合地基技術開展了較多理論和試驗方面的研究，但關于該技術在豎向荷載大且分布不均勻的大面積堆填工程中的應用研究尚處于空白。

有鑒于此，本文以浙江某渣土堆填場地為工程背景，對筋箍樁復合地基技術在該場地地基加固中的可行性進行了分析，以期為工程實踐提供參照。主要開展了以下工作：①結合前人提出的單樁極限承載力以及復合地基及點承載力解析解，計算了設計方案中的地基極限承載力；②采用PLAXIS 2D軟件計算了設計方案中的地基沉降；③對設計方案中的施工間歇期進行了優化。

2 工程概況

圖1 工程地質剖面圖

待填渣土主要來源于工程棄土、削坡土石方，其中工程棄土占比最大，約占填土總量的65%～75 %，以黏性土為主。堆填方案如圖2所示，一期工程堆填總高度為10m，分5個階段施工，每階段需要完成2m高度的堆填量，堆填坡度為1∶3?？偣て?個月，各階段施工期為10d，每層堆填完成后停工10d待沉降穩定后進行下一階段施工。

圖2 渣土堆填示意圖

該地區軟土地基天然極限承載力極低，為60～70kPa，無法直接進行堆填，為確保一期堆填工程的順利實施，需對天然地基進行加固處理。設計方案中擬采用筋箍樁+水平墊層的處理方案對該場地進行加固，方案示意圖如圖3所示。其中，樁徑1.0m，樁間距2.5m，樁長10m，筋箍深度為3倍樁徑，樁體按照梅花形布樁，樁土置換率為0.15。樁頂鋪設0.8m厚度的水平墊層，墊層中埋設兩層土工格室，格室高度為0.1m。

圖3 地基加固方案示意圖

3 計算模型和參數取值

3.1 模型建立

采用有限元程序PLAXIS 2D分析渣土堆填施工過程中，復合地基的承載力及沉降是否能夠達到工程設計要求，并對施工過程進行優化設計。有限元模型如圖4所示。土體、樁體、土工格柵及水平加筋體均采用15節點平面應變單元進行模擬，本構模型選用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。堆坡中心高10m，底部水平墊層厚約0.8m，墊層兩側比堆坡底部寬2m，下部軟土厚10m，持力層厚10m，因此模型總高度為30m；堆坡頂寬20m，底部寬80m，邊坡坡度為1∶3，為了削弱模型邊界對模型工作性狀的影響，路堤兩側計算寬度各為22m，因此模型總寬度為124m。

圖4 有限元計算模型

在模擬土工格柵與碎石樁及周圍土體的接觸時，采用分離式方法進行處理[10]，接觸單元通過參考已有經驗[11]選取合適的界面強度折減因子(Rinter)模擬兩側接觸面的摩擦效應。建模中采用標準邊界約束條件，即模型四周固定水平方向位移，底部固定水平和豎向位移。排水邊界設定為模型左右兩側及底部排水選項關閉，地基表面水平方向和垂直方向為滲透邊界。

3.2 參數取值

表1 巖土體參數取值

(1)

式中，Kp—被動土壓力系數；εa—格室破壞時的軸向應變；M—軸向應變為εa時，格室的割線模量，kPa；D0—格室初始時的單孔直徑,m。

格室復合體的彈性模量可以通過以下公式進行計算：

(2)

(3)

4 結果及分析

4.1 承載力分析

根據趙明華等[14]推導出的單樁極限承載力公式(4)計算地基中心處樁體的極限承載力Ppf，再根據楊宇[15]提出的復合地基極限承載力計算公式(5)計算加固后的地基極限承載力Pcf。

(4)

式中，h0—樁體破壞長度,m；R—樁的半徑,m；φp—碎石內摩擦角,(°)；γ—地基土的重度,kN/m3；z—計算深度,m；c—地基土黏聚力,kPa；Kp—被動土壓力系數，Kp=tan2( 45°+φs/2)，φs—地基土內摩擦角,(°)。

Pcf=k1λ1mPpf+k2λ2(1-m)Psf

(5)

式中，Psf—有水平加筋時樁間土的承載力極限值；k1—修正系數，表征散體材料樁實際承載力極限值與單樁承載力極限值的差異性；k2—修正系數，表征樁間土實際承載力極限值與原地基承載力極限值的差異性；λ1、λ2—系數，分別表征散體材料樁和樁間土強度極限值的發揮程度；m—樁土面積置換率；Ppf—有水平加筋時散體材料樁的承載力極限值，kPa。

根據式(4)計算得到單樁極限承載力Ppf為994.60kPa，將計算得到的Ppf帶入式(5)計算得到加固后的復合地基承載力為385.36kPa，較未加固之前的天然地基極限承載力提高了5倍，能夠滿足一期堆填工程最大堆填荷載180kPa的要求。

4.2 沉降分析

渣土堆填過程中地基中心處孔隙水壓力變化趨勢如圖5所示，施工階段由于上部荷載的逐漸增加，地基土體中的孔隙水來不及排出，孔隙水壓力急劇上升；在施工間歇期，上部荷載不再增加，孔隙水逐漸排出，孔隙水壓力逐漸消散。

圖5 地基中心處孔隙水壓力隨堆填過程變化

渣土堆填過程中地基中心處沉降變化趨勢如圖6所示，從圖6中可看到，當渣土堆填完成時，即第5次堆填結束，地基中心處沉降為25.4cm；在工后階段，即第5次堆填完成后45d的固結過程中，地基中心處沉降增長到26.5cm，趨于穩定。

渣土堆填完成50d后，地基表面沉降分布如圖7所示。從圖7中可以看到，在整個堆填區域，地基表面的沉降分布與上部填土厚度呈正相關，即中心處的沉降最大，達到28.4cm，邊緣處的沉降最小，為10.8cm，兩者沉降差為17.6cm。此外，從沉降分布曲線可以看出，樁土差異沉降為1.0～2.0cm。

圖7 堆填完成后地基表面沉降分布

目前，國內外有很多在軟土地基進行堆山造景的工程案例[16- 17]，與本文渣土堆填工程相似。因此，渣土堆填過程中的地基沉降標準可參照堆山工程地基沉降控制經驗[18]，即第1堆載階段沉降速率不大于5mm/d，第2及后續堆載階段沉降速率不大于l0mm/d，當沉降速率到達該指標時，應停止施工或放緩施工速度，待地基土體沉降速率降低到限制范圍內再繼續施工。本工程渣土堆填過程中，各施工階段的地基平均沉降速率見表2，由表2可見，各施工階段的平均沉降速率符合沉降控制要求。

表2 各堆填階段地基沉降平均速率 單位：mm/d

4.3 施工過程優化

采用不同施工間歇期時地基中心處的孔隙水壓力隨時間變化如圖8所示。從圖8中可以看到，當施工間歇期為10d時，路基土體中孔隙水壓力峰值為9.80kPa；當施工間歇期減小5d時，孔隙水壓力峰值為9.95kPa，較未減小時增大了1.5%；當施工間歇期延長5d時，孔隙水壓力峰值為9.75kPa，較未延長時減小了0.5%?？梢钥吹剑┕らg歇期的延長可以略微降低施工過程中土體內部孔隙水壓力。

圖8 不同施工間歇期地基中心處孔隙水壓力變化

采用不同施工間歇期時地基中心處的沉降隨時間變化如圖9所示。從圖9中可以看到，第5次填筑完成時，施工間歇期減小5d和延長5d所對應的沉降量分別為25.4、25.6cm，與未延長時相比分別減小了0.05%和增大了0.01%；在工后階段，施工間歇期減小5d和延長5d所對應的沉降分別為0.677、0.653cm，與未延長時相比分別增大了2.3%和減小了1.3%?？梢钥闯?，施工間歇期的延長會促進土體在施工階段的固結，從而使得施工階段的沉降略有增加，工后階段的沉降略有減小。

圖9 不同施工間歇期地基中心處沉降變化

采用不同施工間歇期時地基表面不均勻沉降隨時間變化如圖10所示。從圖10中可以看到，當施工間歇期減小5d和延長5d后，地基中心與邊緣的差異沉降為17.63、17.51cm，可以看出施工間歇期的延長對路基差異沉降的影響不大，可忽略不計。

圖10 不同施工間歇期地基表面不均勻沉降變化

不同施工間歇期下各堆填階段地基平均沉降速率見表3。

從表3中可以看到，隨著施工間歇期的延長，每層渣土的平均沉降速率也有所增長，但差距并不明顯。因此，若將施工間歇期減少5d，在確保地基沉降符合要求的前提下還能縮短工期。

表3 不同施工間歇期下各堆填階段地基平均沉降速率 單位：mm/d

5 筋箍樁復合地基作用機理探討

5.1 復合地基中的樁體起到荷載傳遞的作用

樁體荷載傳遞及樁周土側向約束示意圖如圖11所示。對于普通碎石樁而言，當豎向荷載作用于樁頂時，一部分荷載F1通過樁體傳遞給周圍的土體，當樁周土體對樁體的側向約束力F2

圖11 樁體荷載傳遞及樁周土側向約束示意圖

5.2 復合壓縮模量法

該方法是計算復合地基沉降的有效方法之一，其計算公式[19]為：

(6)

Ecs=mEps+(1-m)Ess

(7)

式中，S—復合地基最終沉降；Ess—土體的壓縮模量；Eps—樁體的壓縮模量；Ecs—地基復合壓縮模量；m—面積置換率；n—土層計算層數；Hi—第i層土層厚度；Δpi—第i層土層的附加應力。

由于碎石樁本身無黏聚力，在上部荷載作用下，其自身強度的發揮主要來自于兩部分，即樁身骨料之間的相互咬合以及樁周土體的側向約束。因此，當樁體被筋箍之后，其壓縮模量將會提高，地基復合壓縮模量隨之提高，從而地基沉降減小。

5.3 墊層中的土工格室對墊層的加固作用

主要體現在限制格室內部填料的側向移動，從而墊層的整體剛度就得到了提高[20]。此外，土工格室提供的約束作用改善了基底壓力的分布，使得路基中心處的基底壓力大幅減小，路基邊緣處的基底壓力略有減小[21]，因此，路基中心處的沉降以及路基表面的不均勻沉降均降低。

6 結論

(1)基于現有復合地基極限承載力計算方法，計算得到采用筋箍樁復合地基技術加固后的地基極限承載力約為385kPa，較未加固之前提高了5倍，能夠滿足一期堆填工程最大荷載180kPa的要求。

(2)基于數值計算模型，分析得到渣土堆填完成后，地基中心處的沉降為26.5cm，地基表面差異沉降為17.6cm。第1層平均堆填速率為2.81mm/d，小于5mm/d，第2～5層平均堆填速率在5～6mm/d左右，小于10mm/d，均滿足大面積堆載工程對地基沉降速率的控制要求。

(3)通過對原有設計方案的優化計算，發現施工間歇期減小5d后對沉降的影響不大。因此，在確保地基沉降符合設計要求的前提下可進一步縮短工期。