三向土工格柵加筋樁承式路堤現(xiàn)場測試研究

李亞東 彭龍帆 李紀(jì)昕 徐小洋 劉志紅

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

軟土的壓縮性高、承載能力低，整理力學(xué)特性較差，導(dǎo)致軟土的總沉降過大、沉降差異大、側(cè)向位移大等問題。因此，在軟土地基上建造工程結(jié)構(gòu)時，對軟土地基的處理與加固方法顯得越來越重要。常用的處理方法有表層處理法、重壓法、垂直排水固結(jié)法等，其中，樁承式加筋路堤不失為一種最優(yōu)的處理方法，具有低成本、快施工、適用性廣等優(yōu)點，在高速公路、高鐵線路上均有應(yīng)用，對于沉降要求嚴(yán)格、工期較短的項目有著明顯優(yōu)勢。

樁承式加筋路堤是由地基、樁和樁帽、加筋墊層與填土路堤這5部分組成的結(jié)構(gòu)體系。但是由于地基軟土和樁基本身彈性模量的不同，在相同的上部荷載作用下，二者的沉降量存在差異，樁間土的沉降要大于樁的沉降，導(dǎo)致樁頂上部土體產(chǎn)生剪力，使得上部路堤荷載重新分配，并將部分荷載傳遞到樁帽上，形成土拱效應(yīng)。

陳仁朋等[1]的研究表明，沉降的主要影響因素是下臥軟土層的厚度，且樁托板、間距對樁土荷載比的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路堤高度與土工格柵的影響。目前對樁承式加筋路堤的研究主要集中在土拱效應(yīng)和張拉膜效應(yīng)[2]，但是其設(shè)計并沒有同時完全覆蓋路堤、樁和土工合成材料這3個部分，容易對工程造成事故隱患或造成經(jīng)濟(jì)浪費。Kousik[3]建立了基于軟土地基的石柱支撐土工合成加筋土和非加筋土路堤的廣義數(shù)學(xué)模型，模型考慮了石柱材料剛度、石柱間距、軟土固結(jié)、土工合成材料、路堤特性和軟土特性等因素對土拱的影響，發(fā)現(xiàn)土工合成加固在以上影響因素中，對土拱效應(yīng)起著最為重要的作用。姜彥彬等[4]分別建立單樁、群樁及全斷面3種有限元模型，認(rèn)為采用考慮樁土接觸條件的全斷面模型最能真實反映結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)。Pham等[5]采用離散元方法對土工合成加筋土樁承式路堤進(jìn)行了三維數(shù)值分析，在張拉膜作用下，土工合成材料的加入增強(qiáng)了土基向樁體的應(yīng)力傳遞，其應(yīng)力分布比未加土工合成材料的樁體更均勻，并提出CUR 226設(shè)計準(zhǔn)則和EBGEO設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計方法與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好，能夠較好地應(yīng)用在實際工程設(shè)計中。張光榮[6]通過對某高填方路段埋置測試元件，發(fā)現(xiàn)中上層土工格柵可以分擔(dān)底層壓力，有利于路堤穩(wěn)定，土工格柵隨著路堤填筑的高度更能發(fā)揮其效應(yīng)。馮曉靜等[7]通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)雙向格柵在降低土壓力方面有著顯著作用，但是各層分布趨勢并不完全相同。蔣建清等[8]通過加筋路堤現(xiàn)場測試并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬，分析格賓網(wǎng)加筋間距、加筋長度、地基土的壓縮模量、強(qiáng)度指標(biāo)及路堤填料壓實度變化對其力學(xué)性狀的影響。徐超等[9]以樁間距為變量，通過對不同加筋區(qū)域的受力、變形情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明在此基礎(chǔ)上提出正方形布樁的工況下，考慮筋材三維空間變形的拉力計算方法，為樁承式路基設(shè)計提供依據(jù)。Cao等[10]對CFG樁樁承式加筋路堤進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明土拱效應(yīng)和張拉膜效應(yīng)較小，土工格柵內(nèi)應(yīng)力集中比和應(yīng)變也較小，現(xiàn)有設(shè)計方法過于保守，提出了一些設(shè)計建議。Zhang等[11]基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，探討了樁土相互作用機(jī)理及抗滑樁在邊坡加固中的優(yōu)化應(yīng)用，結(jié)果表明，填料黏結(jié)力對樁體和邊坡的影響大于摩擦角，是主要的控制因素。屈慶洋等[12]通過現(xiàn)場測試及試驗分析研究了土工格柵加筋的機(jī)理，鋪設(shè)了土工格柵區(qū)域的最大土壓力明顯減小，且隨著加筋密度的增大效果越明顯，同時，對沉降也有一定的限制效果，可以防止縱向裂縫的產(chǎn)生、抑制橫向裂縫的發(fā)展。馬強(qiáng)等[13]分析了新型三向格柵加筋橋頭路堤填土的有效長度，能夠在一定程度上減小格柵下部土壓力和路堤沉降，建議在工程中應(yīng)選擇適宜剛度的格柵和具有一定黏聚力的路堤填料。陳永輝等[14]考慮樁帽及土工格柵剛度對格柵應(yīng)變計算的影響，提出考慮等效樁徑系數(shù)的修正計算方法，建議當(dāng)采用鋼絲格柵等高強(qiáng)剛度格柵時，可采用考慮等效樁徑系數(shù)的修正EBGEO法進(jìn)行格柵應(yīng)變與應(yīng)力計算。陳洋等[15]分析某公路工程擴(kuò)寬中實測了不同樁間距和樁帽寬度下土拱高度與土拱效應(yīng)，數(shù)據(jù)表明樁帽-土應(yīng)力比隨路堤荷載的增加而增大，隨樁帽寬度和樁間距的增加而減小，為工程設(shè)計提供參考。

不難看出，現(xiàn)場測試和監(jiān)測將為土拱效應(yīng)的研究提供一種很有前途的方法，現(xiàn)有的監(jiān)測主要覆蓋公路、鐵路路堤等工程，但是對于汽車賽道并沒有測試先例。本文以武漢智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場項目為工程背景，對測試場中F1級賽道樁承式路堤進(jìn)行現(xiàn)場測試，通過監(jiān)測樁與周圍土體之間的土壓力和沉降差，對土拱效應(yīng)展開研究。

1 工程概況

1.1 項目背景

武漢智能聯(lián)網(wǎng)汽車封閉測試場位于長江一級階地，場區(qū)南端和東端主要為河流堆積地貌單元，軟土厚度大，砂層分布較深。項目總體規(guī)劃結(jié)合中國汽車產(chǎn)業(yè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃，采用近遠(yuǎn)期規(guī)劃相結(jié)合的手法，按國際汽聯(lián)一級賽道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，近期按照二級賽道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，遠(yuǎn)期可升級為一級賽道，主賽道總長約4.3 km。

由于國際比賽需要非常平整的賽道，應(yīng)采用合適的地基處理技術(shù)，盡量減少總沉降和差異沉降，避免因承載力不足而造成無法接受的沉降甚至破壞路堤。

由于工程場地下地基為低剪切、高壓縮性的軟黏土地層，采用樁支路堤提高地基承載力，具體處理方案分部采用PHC（AB型）管樁或CFG樁形成復(fù)合地基，如圖1所示。樁帽選用C30混凝土，樁帽上部路堤結(jié)構(gòu)為碎石層、水泥土和輕質(zhì)泡沫土，各層之間采用三向土工格柵加筋，賽道結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖1 PHC樁和CFG樁分布

圖2 賽道結(jié)構(gòu)斷面示意

根據(jù)勘探結(jié)果，賽道地質(zhì)土層從上至下分布如下：4.2 m淤泥質(zhì)黏土層、1.2 m軟質(zhì)黏土層、2.6 m黏土層、5 m粉質(zhì)黏土層、2.5 m黏土層、4.7 m粉質(zhì)黏土層、1.4 m淤泥層和3.9 m粉砂質(zhì)黏土層。

1.2 測試區(qū)域與測點布置

在項目軟土地基處理方法中，分別選用三向土工格柵加筋和未設(shè)置三向土工格柵加筋的區(qū)域，在PHC樁區(qū)域同樣選取這2類處理形式分別進(jìn)行監(jiān)測以測試處理效果，見圖1，其中測試區(qū)1設(shè)置三向土工格柵加筋，測試區(qū)2則未設(shè)置三向土工格柵。PHC管樁直徑為0.5 m，呈正方形分布，樁帽尺寸為1.5 m×1.5 m×0.35 m矩形截面，間距3 m。

測試區(qū)1的碎石墊層和三向土工格柵布置如圖3所示，樁帽頂部碎石厚度為2.5 m，三向土工格柵分3層布置在內(nèi)，分部位于樁帽頂部高0.1、0.6、0.9 m處。在碎石墊層上以每段0.5 m的厚度施加厚3 m的填土荷載用于模擬實際上部荷載，最終填方高度5.5 m，填土容重18.5 kN/m3，路堤邊坡坡度為1∶1.5。測試區(qū)1和測試區(qū)2的試驗路堤荷載施加完成時間分別為9 d和8 d，整個監(jiān)測過程持續(xù)3個月。

圖3 三向土工格柵分布

壓力傳感器和沉降板測點布置如圖4所示，圖中P表示壓力測點，S表示沉降測點。其中，樁帽上測點標(biāo)號為1，樁間土表面測點標(biāo)號從2至5，逆時針排列。

圖4 測點布置示意

2 測試結(jié)果

2.1 應(yīng)力結(jié)果分析

圖5和圖6分別為測試區(qū)1和測試區(qū)2中PHC管樁樁帽土壓力（Pp）和樁間土的壓力（Ps）隨時間的變化曲線。

圖5 測試區(qū)1壓力測試結(jié)果

圖6 測試區(qū)2壓力測試結(jié)果

從圖5、圖6可以看到，在前10 d路堤荷載施加過程中，樁帽和樁間土的壓力隨著路堤高度的增加而不斷增大；之后，2個試驗區(qū)的樁間土表面壓力較之前均略微下降，并逐步穩(wěn)定在12～15 kPa之間，樁帽表面壓力則相反，在80 d內(nèi)呈持續(xù)增長趨勢。

樁間土表面壓力的降低主要是土體固結(jié)和填土內(nèi)部土拱共同作用的結(jié)果，樁承臺和土表面土壓力的快速穩(wěn)定的原因可能是樁建立在堅硬的基巖層上。可明顯看到，土的實測壓力遠(yuǎn)小于樁承臺的實測壓力，說明路堤的超載荷載主要由樁承臺承擔(dān)，而不是地基土。這也就反映出，土拱在填土內(nèi)部形成，并有助于將外荷載傳遞到樁帽上。

考慮土工格柵的影響，在路堤施工過程中，在低荷載作用下，測試區(qū)2的樁帽土壓力明顯高于測試區(qū)1的樁帽土壓力；這是由于樁帽上部荷載較小，樁承臺與土所需的變形差也較小，無法形成明顯的張拉膜效應(yīng)以激活土工格柵用來促進(jìn)荷載傳遞。隨著加載時間的逐漸增加，由于土工格柵加固逐漸發(fā)揮作用，測試區(qū)1的樁帽土壓力與測試區(qū)2的樁帽土壓力之間的差異變得非常顯著，而且差值保持在相對穩(wěn)定范圍（45～50 kPa）內(nèi)。同時，測試區(qū)1土體表面的沉降量也要明顯小于測試區(qū)2的沉降量，這也從側(cè)面說明土工格柵增強(qiáng)了地基土荷載向樁帽的傳遞，避免了樁體和土體之間的不均勻沉降。應(yīng)力集中比的變化趨勢如圖7所示。

圖7 應(yīng)力集中比變化趨勢

從圖7可以看到，無論是否有三向土工格柵加筋，應(yīng)力集中比都隨著堤防的增高而增加。測試區(qū)1的應(yīng)力集中比在18左右，而測試區(qū)2的應(yīng)力集中比穩(wěn)定在12，反映出有土工格柵加筋的情況下，應(yīng)力集中比明顯高于沒有加筋的情況，說明三向土工格柵有利于樁土之間的荷載傳遞。測試區(qū)1較高的應(yīng)力集中比說明土工合成體系存在張拉膜效應(yīng)，且張拉力的垂直分量增大了樁帽的壓力。

2.2 沉降結(jié)果分析

圖8和圖9分別為測試區(qū)1和測試區(qū)2中PHC管樁樁帽沉降（Sp）和樁間土的壓力（Ss）隨時間的變化曲線。

圖8 測試區(qū)1沉降測試結(jié)果

圖9 測試區(qū)2沉降測試結(jié)果

不難看出，隨著路堤高度的增加，沉降總體呈增加趨勢，在加載初期迅速發(fā)展，之后穩(wěn)定增長。試驗結(jié)束時，沉降曲線總體呈緩慢增長趨勢，直至達(dá)到穩(wěn)定值。其中，樁帽沉降速率低于0.01 mm/d，樁間土沉降速率保持在0.03 mm/d以內(nèi)。在不考慮土工格柵安裝的情況下，2個測試區(qū)的樁間土實測總沉降量明顯大于樁帽的實測沉降量。

測試區(qū)1中，樁帽的累計沉降量僅為7.8 mm，樁間土最大累計沉降達(dá)到31.6 mm；測試區(qū)2中，樁帽的累計沉降量僅為12.7 mm，樁間土最大累計沉降達(dá)到50.5 mm。二者對比明顯可以看出三向土工格柵對沉降產(chǎn)生了重大影響。無論是樁帽還是樁間土，測試區(qū)1的沉降幾乎只有測試區(qū)2的沉降量的一半，充分顯示了土工格柵在減小總沉降和差異沉降方面的作用。除此之外，如圖8和圖9所示，三向土工格柵在降低沉降速率方面也起到明顯作用，特別是在路堤施工過程中，加筋試驗場的地表沉降速率和樁承臺沉降速率僅為未加筋的一半。

隨著路堤高度的增加，與總沉降變化趨勢基本一致，差異沉降也隨路堤高度的增加而增加。在監(jiān)測的最后階段，2個測試區(qū)的差異沉降增加速率逐漸減小，直至最大差異沉降保持在一個相對穩(wěn)定的值，其中，測試區(qū)1差異沉降為21 mm，測試區(qū)2為34 mm。

與差異沉降的增大趨勢一致，樁間土實測應(yīng)力明顯小于樁帽實測應(yīng)力，這是由于差異沉降達(dá)到一定程度后，導(dǎo)致樁頂以外的路堤填方發(fā)生土拱所引起的。

對比2個測試區(qū)的沉降曲線，3層土工格柵加筋使最大沉降差從34.2 mm減小到21.8 mm，減小了36.3%。沉降差的減小又減小了土拱效應(yīng)所引起的剪應(yīng)力，進(jìn)而減小了土拱過程中從填土傳遞到樁帽的荷載。2個測試區(qū)在路堤施工過程中發(fā)生的差異沉降分別占最大差異沉降的40%和60%，這也說明在短時間加載過程中，加筋可以顯著降低路堤施工過程中的差異沉降。

3 結(jié)語

1）通過監(jiān)測樁間土和樁帽的土壓力和沉降結(jié)果，可以觀察到路堤的土壓力和沉降。表明通過填土的剪切變形將荷載從地基轉(zhuǎn)移到樁承臺。

2）分別以應(yīng)力集中比和與土壓力和沉降相關(guān)的沉降差值來評價地基土承載力是合理的。從路堤施工到監(jiān)測結(jié)束，應(yīng)力集中比和差異沉降的增大表明樁承臺上存在土拱效應(yīng)。

3）通過2個測試區(qū)的現(xiàn)場加載試驗對比，發(fā)現(xiàn)3層土工格柵加筋的應(yīng)力集中比至少提高1.5倍，2個測試區(qū)的沉降曲線差異約為36.3%，表明土工格柵對降低沉降差異有顯著影響。土工合成材料體系的張拉膜效應(yīng)也得到了包含土工合成材料的路堤試驗結(jié)果的驗證。