尹 誠(chéng)，陳珊玲，謝測(cè)坤

（1、岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司 湖南 岳陽(yáng) 414000；2、湖南省交通運(yùn)輸廳交通建設(shè)造價(jià)管理站 長(zhǎng)沙 410116；3、湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

加筋碎石樁是一種可靠、高效的地基加固方法，通過(guò)在樁體外側(cè)包裹一層土工加筋材料，以提供額外的側(cè)向約束限制其鼓脹變形，從而大幅提高地基承載力［1-2］。然而，土工加筋材料是以高分子聚合物為原料制作而成，成本偏高且生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量硫化物、氮氧化物及二氧化碳等，對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生污染［3-4］。當(dāng)前，人類社會(huì)倡導(dǎo)人與自然和諧相處，我國(guó)也提出“雙碳”的綠色發(fā)展目標(biāo)。因此，尋求成本更低、綠色環(huán)保的新型加筋材料對(duì)軟土地基處理具有重要的理論及環(huán)保意義。

竹子具有強(qiáng)度高、韌性好的力學(xué)特性及生長(zhǎng)周期短、再生能力強(qiáng)、分布范圍廣的特點(diǎn)，在土木工程領(lǐng)域被大量用作建筑材料使用［5-6］。由竹子制作而成的竹筋格柵也因其生態(tài)環(huán)保及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于路基加固、邊坡修復(fù)、基坑支護(hù)等工程領(lǐng)域，并取得了較好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。作為一種可降解的植物筋材，竹子在土體中具有良好的耐久性，在一定時(shí)期內(nèi)（10～20 年）能賦予土體所需的穩(wěn)定性［7-8］。實(shí)際上，軟土在一定時(shí)期內(nèi)的穩(wěn)定性正是軟土處治技術(shù)設(shè)計(jì)的主要控制因素，由于連續(xù)的排水固結(jié)過(guò)程，樁周土的強(qiáng)度隨時(shí)間而遞增，所以在竹筋格柵降解失效之前，軟弱土已完成固結(jié)，且碎石樁與樁周土體也已形成穩(wěn)定的整體，使得竹筋格柵加筋碎石樁復(fù)合地基能滿足《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范：GB∕T 50783—2012》對(duì)地基穩(wěn)定性的要求［9］。然而，目前關(guān)于竹筋格柵加筋碎石樁承載特性的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

基于此，本文以竹筋格柵加筋碎石樁復(fù)合地基為研究對(duì)象，擬通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，從荷載-沉降關(guān)系、極限承載力大小、樁土應(yīng)力比變化規(guī)律及樁體應(yīng)力傳遞規(guī)律等幾個(gè)方面對(duì)其承載特性進(jìn)行研究，并與不加筋、土工格柵加筋兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而探討竹筋格柵替換土工格柵在提高碎石樁承載力、減少軟基沉降方面的可行性，為竹筋格柵加筋碎石樁的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)及設(shè)計(jì)參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及布置

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》規(guī)定，借鑒已有的模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)［10］，并結(jié)合洞庭湖湖區(qū)某軟基處治工程實(shí)況，基于相似理論選取幾何條件作為本次試驗(yàn)的控制參數(shù)，最終確定原型與模型幾何相似比為1∶10。軟基厚度為60 cm，碎石樁直徑取8 cm，樁長(zhǎng)為60 cm，長(zhǎng)徑比為7.5，樁距為24 cm。

模型試驗(yàn)分為4組，如表1所示。其中3組為碎石樁復(fù)合地基四樁載荷試驗(yàn)，分別為不加筋、土工材料加筋和竹筋格柵加筋3 種碎石樁處理方式，1 組為未經(jīng)過(guò)處理的軟基載荷試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test Plan

1.2 試驗(yàn)材料

地基軟土選用洞庭湖枯水期河漫灘沖擊沉積的淤泥質(zhì)土，土體參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and Mechanical Indexes of Test Soft Soil

樁體碎石選用具有一定顆粒集配的灰?guī)r角礫，粒徑為5～16 mm。加筋套筒如圖1所示，考慮到實(shí)際工程中土工格柵網(wǎng)格尺寸一般大于30 mm，試驗(yàn)中易導(dǎo)致碎石漏出，基于相似原理，采用相同網(wǎng)格尺寸為4 mm×4 mm的塑料格網(wǎng)材料進(jìn)行替換，拉伸強(qiáng)度T=6.5 kN∕m。竹筋格柵套筒網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，采用單肋寬度為8 mm，厚為1 mm 的竹筋經(jīng)設(shè)計(jì)裁剪、彎曲定形、扎絲綁扎編織而成，拉伸強(qiáng)度T=73.2 kN∕m，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于工程中常用的型號(hào)為T(mén)GSG5045 和TGSG5050 的雙向塑料土工格柵，強(qiáng)度對(duì)比如表3所示。

表3 竹筋格柵與土工格柵的拉伸強(qiáng)度對(duì)比Tab.3 Comparison of Tensile Strength between Bamboo-reinforced Grid and Geogrid

圖1 加筋格柵套筒示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Reinforced Grille Sleeve

1.3 試驗(yàn)布置

本次試驗(yàn)荷載板為邊長(zhǎng)400 mm，厚20 mm 的方形鋼板，采用正方形形式布樁，碎石樁布置在邊長(zhǎng)400 mm 的方形區(qū)域中心處，樁體直接支承在模型箱底部。模型箱尺寸為1 500 mm（長(zhǎng)）×1 500 mm（寬）×800 mm（高），由10 mm 厚鋼板焊接加工制作而成，長(zhǎng)度及寬度均大于荷載板邊長(zhǎng)的3 倍，滿足試驗(yàn)的邊界及剛度條件，模型試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 模型試驗(yàn)布置Fig.2 Layout of Model Test （mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 承載力特性分析

通過(guò)載荷試驗(yàn)得到不同工況下的四樁復(fù)合地基荷載-沉降曲線，如圖3所示。

圖3 載荷試驗(yàn)的P-s曲線Fig.3 P-s Curves of Loading Tests

采用杭州生產(chǎn)的平面加載試驗(yàn)系統(tǒng)施加豎向荷載，采用微型土壓力盒及百分表監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力及位移值，所有數(shù)據(jù)均通過(guò)型號(hào)為DH3816Y 的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析儀進(jìn)行整理輸出，模型試驗(yàn)的布置方式如圖2所示。

可以看出，未處理軟基在荷載作用下沉降急劇增大，荷載到達(dá)20 kPa 前曲線已經(jīng)出現(xiàn)陡降，說(shuō)明不經(jīng)過(guò)處理的軟基承載力極低，不能直接將其應(yīng)用于實(shí)際工程。普通碎石樁復(fù)合地基在荷載接近25 kPa 時(shí)發(fā)生破壞，之后沉降量隨荷載的增加而迅速增大；土工格柵加筋碎石樁復(fù)合地基在荷載達(dá)到60 kPa 時(shí)沉降量急劇增大，地基發(fā)生破壞，承載能力大幅降低；然而竹筋格柵加筋碎石樁復(fù)合地基的荷載-沉降曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，整體曲線較為平緩，基本呈線性變化，直至加載結(jié)束。

為進(jìn)一步量化對(duì)比不同工況地基承載力的大小，在荷載-沉降曲線上選取沉降量為40 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載大小作為地基極限承載力［11］，如表4所示。

表4 不同工況下地基極限承載力Tab.4 Ultimate Bearing Capacity of the Foundation under Different Working Conditions

對(duì)于未加筋碎石樁、土工格柵加筋碎石樁、竹筋格柵加筋碎石樁3種地基處理方式，沉降量為40 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的地基極限承載力分別為38 kPa、58 kPa、132 kPa。表明碎石樁有著較好的置換增強(qiáng)作用，經(jīng)過(guò)碎石樁處理后的軟基，承載力較處理前提高了123.5%。土工格柵加筋碎石樁較普通碎石樁承載力提高了52.6%，竹筋格柵加筋相比普通碎石樁承載力提高了247.4%。結(jié)果表明：采用力學(xué)性能更為優(yōu)越的竹筋格柵加固碎石樁對(duì)復(fù)合地基的承載力提升效果更為明顯，處理后的地基沉降量可以得到有效控制。

2.2 樁土應(yīng)力比分析

土壓力盒埋設(shè)位置如圖2 所示，測(cè)得樁頂平面處樁端、樁周土體的應(yīng)力值，將其進(jìn)行比較得到復(fù)合地基樁頂處的樁土應(yīng)力比，如圖4 所示，圖中s為荷載板的沉降值，D為荷載板的邊長(zhǎng)。

圖4 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比曲線Fig.4 Pile-soil Stress Ratio Curves of Composite Foundation

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，竹筋格柵加筋碎石樁復(fù)合地基樁頂平面處樁土應(yīng)力比基本維持在15.0，為普通碎石樁（4.0）的3.75 倍，為土工格柵加筋碎石樁（11.0）的1.36 倍。結(jié)果表明，利用碎石樁加固天然軟基后，由于樁體碎石自身的剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，從而使得應(yīng)力分布呈現(xiàn)出在樁頂集中的現(xiàn)象，在此這基礎(chǔ)之上，加筋碎石樁中使用的竹筋格柵其抗拉強(qiáng)度大于土工格柵的抗拉強(qiáng)度，對(duì)碎石材料的側(cè)向約束作用使得樁體剛度進(jìn)一步提升，加劇了應(yīng)力集中，樁土應(yīng)力比得到進(jìn)一步提升。

2.3 樁體應(yīng)力傳遞

為研究樁體應(yīng)力隨深度改變而變化的規(guī)律，引入樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)的概念，其定義為樁底應(yīng)力與樁頂應(yīng)力大小的比值。在樁頂及樁底中心處各設(shè)置一個(gè)土壓力盒，得到樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)隨位移（s∕D）的變化曲線，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)曲線Fig.5 Stress Transfer Coefficient Curves of the pile

竹筋格柵加筋碎石樁復(fù)合地基在加載初期，樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)大于0.8，隨著位移的增大，樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)逐漸下降，當(dāng)位移s∕D達(dá)到10%時(shí)，樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)下降到0.65 左右，最后趨于穩(wěn)定。土工格柵加筋碎石樁復(fù)合地基的樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在0.38 左右。普通碎石樁復(fù)合地基在位移s∕D小于5%時(shí)，樁體應(yīng)力傳遞系數(shù)均勻降低，當(dāng)s∕D大于10%后，其值逐漸穩(wěn)定在0.24 左右。結(jié)果表明，利用竹筋格柵及土工格柵套筒對(duì)碎石樁進(jìn)行加筋處理，一定程度上可改善未加筋碎石樁荷載傳遞能力較差的缺陷；相比于土工格柵，竹筋格柵能大幅提高樁體剛度及承載力、并限制樁體鼓脹變形，將上部荷載傳遞到更深、更廣的地基之中，有效提升地基的承載力。

3 結(jié)論

本文針對(duì)竹筋格柵在軟弱地基處治領(lǐng)域中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)完成了4組室內(nèi)模型載荷試驗(yàn)，探討了竹筋格柵代替土工格柵對(duì)碎石樁加筋復(fù)合地基承載特性的影響，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

⑴碎石樁有著較好的置換增強(qiáng)作用，可提高軟基承載力，當(dāng)荷載較大時(shí)碎石樁易發(fā)生破壞，但加筋處理可有效提升碎石樁整體剛度及地基承載力。

⑵實(shí)驗(yàn)研究表明，土工格柵加筋碎石樁較普通碎石樁承載力提高了52.6%，竹筋格柵加筋相比普通碎石樁承載力提高了247.4%，相比于土工格柵套筒，竹筋格柵套筒對(duì)碎石樁的加固效果更為理想。

⑶竹筋格柵套筒加劇了應(yīng)力集中，使得樁土應(yīng)力比顯著增大，同時(shí)在一定程度上改善了普通碎石樁荷載傳遞能力較差的缺陷；而且竹筋格柵套筒碎石樁可有效將上部荷載傳遞到更深、更廣的地基土之中，經(jīng)過(guò)加固處治后的碎石樁表現(xiàn)出類似摩擦端承樁的承載特性。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，竹筋格柵作為天然環(huán)保的新型綠色加筋材料，不僅符合《土工合成材料塑料土工格柵：GB∕T 17689—2008》對(duì)筋材力學(xué)性能的要求，而且加固效果明顯優(yōu)于目前廣泛應(yīng)用的土工格柵加筋材料，是未來(lái)加筋碎石樁復(fù)合地基新的發(fā)展方向。