不同位置的加筋材料对桩-网复合地基桩土应力的影响分析

虞小平 梁都 刘茂军

摘要：为了分析加筋垫层铺设位置对桩土应力的影响，文章通过加筋材料的铺设位置、厚度，分别对桩-网复合地基桩土应力进行了连续观测。结果表明：在垫层底面加筋材料加铺层数相等的条件下，加筋材料的铺设位置对复合地基的桩顶土压力和桩间土表面土压力影响有限；加筋材料铺设在垫层以下不同位置，桩-网复合地基中桩土应力比增加；填土高度为10～100 cm时，加筋垫层顶面桩间土内的土压力平均值随垫层厚度增加而提高。通过模型试验，为经济合理地设计桩-网结构提供科学依据。

关键词：桩-网复合地基桩；桩土应力；加筋垫层；拱效应

中圖分类号：U416.1+1 A 19 056 5

0 引言

桩-网结构是指天然地基在地基处理过程中下部土体得到竖向增强体——“桩”，上部铺设水平向增强体——“网”，从而形成桩土复合地基加固区，使桩－网－土协同作用、共同承担荷载［1-2］。桩－网结构加固技术有工后沉降小、变形易控制、稳定性高、施工方便等优点，其最大的优点是路堤竣工后无须放置较长时间，因此适宜于工期短的情况。此外，对于深厚软土、湿陷性黄土地基，较宜采用桩－网结构加固［3］。桩－网加固工法最早出现在20世纪70年代中期的日本，主要对高等级道路所经软土地基进行加固，在控制路基残余变形方面较有优势。在中国起步较晚，属于比较新的一种工法［4］。

由于加筋垫层的存在，提高了桩土的应力分担比，减少了桩间土所承担的荷载，起到控制路基不均匀沉降的作用［5-6］，同时也减小了对上部轨道结构的不利影响；加筋垫层还可限制土体的侧向变形和位移。因此，加筋垫层的设计对于桩－网结构路基来说至关重要［7-8］。工程中常采用碎石垫层，此垫层的力学性质易于控制，因此确定土工格栅的强度是加筋垫层的设计重点［9］。本文通过模型试验对桩－网结构路基加筋垫层进行设计研究，探讨路堤荷载下不同位置的加筋材料对桩-网复合地基桩土应力的影响，为经济合理地设计桩－网结构提供科学依据。

1 试验方案设计

1.1 试验装置及材料

本试验采用1 440 mm（长）×1 440 mm（宽）×1 500 mm（高）的砖砌长方体槽，模型槽平面和立面示意图如图1所示。

为了减小模型槽内壁与路堤填料之间摩擦力对试验的影响，试验采用在模型槽内壁“挂贴”塑料薄膜的方法来减少摩擦，并且在每次分层填筑前，用细砂将模型槽内壁砖与砖之间砂浆不饱满处填塞饱满，保证塑料薄膜平整。

试验采用的模型桩为C20预制素混凝土桩，桩截面为圆形。模型的桩长为30 cm，桩直径为10 cm（原型桩的直径为50 cm，相似比为1∶5）；模型桩采用正三角形布置。每个模型试验共布置7根桩，中心桩圆心与模型槽对角线交点（即模型槽中心）重合；其余6根桩以中心桩桩心为固定点，按规定桩间距依次布置。然后依次进行：装填桩间土→布放垫层底面土压力盒→铺设碎石垫层及土工网→布置垫层顶面土压力盒→填筑路堤填料。

1.2 试验测点布置

1.2.1 垫层底面土压力盒的布置

垫层底面共布置3个土压力盒，土压力盒顶面与桩顶在同一平面上。其中，在垫层底面中心桩桩顶布置1个土压力盒A，测桩顶土压力；在垫层底面桩间土表面的两个部位各布置1个土压力盒（土压力盒1a位于两桩中心，土压力盒2a位于正三角形的形心位置），测桩间土表面土压力。垫层底面土压力盒布置情况如图2所示。4个试验中，桩间土表面土压力盒分别布置在4个不同的正三角形中。

1.2.2 垫层顶面土压力盒的布置

垫层顶面同样布置3个土压力盒。其中，在垫层顶面中心桩桩顶范围内布置1个土压力盒B，测垫层顶面中心桩桩顶范围内的土压力；在垫层顶面桩间土范围内的两个部位各布置1个土压力盒（土压力盒1b位于两桩中心，土压力盒2b位于正三角形的形心位置），测垫层顶面桩间土范围内的土压力，同样垫层顶面土压力盒布置示意图类似于图2。

1.3 试验分组

按垫层是否加筋、垫层厚度的不同以及垫层中加筋材料夹铺位置的不同，共进行4个独立试验，具体如表1所示。

2 试验结果及分析

通过对4个独立试验垫层底面和顶面土压力进行连续观测，揭示了加筋垫层底面、顶面土压力的变化规律以及垫层加筋与否、加筋垫层厚度、加筋材料夹铺位置对桩-网复合地基桩土应力比和路堤填土中拱效应变化的影响。

2.1 无筋垫层（6，0）试验

由图3可以看出，填筑过程中，当填土高度＜10 cm时，中心桩桩顶和桩间土表面土压力基本相同；当填土高度＞10 cm时，中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表面土压力的增幅。当填土高度为100 cm时，垫层底面的中心桩桩顶土压力为41.03 kPa，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力16.80 kPa；桩间土表面1a、2a处土压力分别为10.56 kPa、10.11 kPa，均小于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力。垫层顶面的中心桩桩顶范围内土压力为26.43 kPa，大于按填土高度、重度计算所得的土压力15.60 kPa；桩间土表面范围内1b、2b处土压力分别为9.64 kPa、9.01 kPa，均小于按填土高度、重度计算所得的土压力。由此表明两者土压力的分布都是不均匀的。

2.2 加筋垫层（6，3）试验

由下页图4可以看出，填筑过程中，当填土高度＜20 cm时，垫层顶面中心桩桩顶范围内和桩间土表面土压力基本相同；当填土高度＞20 cm时中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表面土压力的增幅。当填土高度为100 cm时，垫层底面中心桩桩顶土压力为42.56 kPa，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力16.80 kPa；桩间土表面1a、2a处土压力分别为10.16 kPa、9.67 kPa，均小于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得土压力。垫层顶面图中心桩桩顶范围内土压力为22.83 kPa，大于按填土高度、重度计算所得的土压力15.60 kPa；桩间土表面范围内1b、2b处土压力分别为10.06 kPa、9.66 kPa，均小于按填土高度和填土重度计算所得的土压力。两者均表明土压力的分布是不均匀的。

2.3 加筋垫层（10，5）试验

由图5可以看出，填筑过程中，当填土高度＜20 cm时，垫层顶面中心桩桩顶范围内和桩间土表面土压力基本相同；当填土高度＞20 cm时中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表面土压力的增幅。当填土高度为100 cm时，中心桩桩顶土压力为50.63 kPa，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力16.80 kPa；桩间土表面1a、2a处土压力分别为10.24 kPa、10.47 kPa，均小于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力。中心桩桩顶范围内土压力为20.69 kPa，大于按填土高度、重度计算所得的土压力15.60 kPa，桩间土表面范围内1b、2b处土压力分别为11.01 kPa、10.68 kPa，均小于按填土高度、重度计算所得的土压力。两者均表明土压力的分布是不均匀的。

2.4 加筋垫层（6，1.5）试验

从图6可以看出，填筑过程中，当填土高度＜10 cm时，垫层顶面中心桩桩顶范围内和桩间土表面土压力基本相同；当填土高度＞10 cm时中心桩桩顶土压力的增幅远大于桩间土表面土压力的增幅。当填土高度为100 cm时，中心桩桩顶土压力为43.99 kPa，大于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力15.23 kPa，桩间土表面1a、2a处土压力分别为9.94 kPa、9.79 kPa，均小于按填土高度、重度和垫层厚度、重度计算所得的土压力。中心桩桩顶范围内土压力为23.43 kPa，大于按填土高度、重度计算所得土压力15.60 kPa，桩间土表面范围内1b、2b处土压力分别为9.63 kPa、9.46 kPa，均小于按填土高度、重度计算所得土压力。两者均表明土压力的分布是不均匀的。

3 加筋材料夹铺位置的试验分析

3.1 垫层底面土压力与桩土应力比变化

由图7可以看出，在填筑过程中，加筋垫层（6，1.5）与加筋垫层（6，3）底面中心桩桩顶土压力均随着填土高度的增加而增大，且增加的趋势基本相同，但加筋垫层（6，1.5）底面中心桩桩顶、（6，3）底面桩间土表面土压力均略大。由此表明在加筋材料夹铺层数相等的条件下，加筋垫层中加筋材料的夹铺位置对桩-网复合地基中桩顶土压力和桩间土表面土压力均有一定的影响，但影响有限。

同时由图7可以看出，在填筑过程中，加筋垫层（6，3）与加筋垫层（6，1.5）底面的桩土应力比均随填土高度的增加而增大，加筋垫层（6，1.5）底面的桩土应力略大。

这表明在加筋材料夹铺层数相等的条件下，改变加筋垫层中加筋材料的夹铺位置对桩-网复合地基的桩土应力比有一定的影响，与加筋材料夹铺在垫层中部相比，将加筋材料夹铺在垫层的下部可使桩土应力比略有提高。降低加筋垫层中加筋材料夹铺位置的根本目的是为了限制桩体向垫层的刺入及荷载向桩间土的转移，从而达到提高桩土应力比、充分利用桩体承载力的目的。从试验结果来看，降低加筋垫层中加筋材料的夹铺位置起到了提高桩土应力比的目的。

3.2 垫层顶面土压力与桩土应力比变化

由图8可以看出，在填筑过程中，加筋垫层（6，3）与加筋垫层（6，1.5）顶面中心桩桩顶范围内的土压力和土应力均随着填土高度的增加而增大。当填土高度为0～10 cm、0～20 cm时，加筋垫层（6，1.5）与加筋垫层（6，3）顶面中心桩桩顶和桩间土范围内的土压力基本相同；当填土高度为10～100 cm、20～100 cm时，加筋垫层（6，1.5）顶面中心桩桩顶范围内的土压力略大、加筋垫层（6，3）頂面桩间土范围内的土压力平均值大于加筋垫层（6，1.5）顶面桩间土范围内的土压力平均值。由图8（c）可以看出，加筋垫层（6，1.5）底面的桩土应力比大于加筋垫层（6，3）底面的桩土应力比。

因此，加筋垫层（6，1.5）上部路堤填土的拱效应大于加筋垫层（6，3）上部路堤填土的拱效应。由于条件的限制，试验得出的桩土应力比虽不能较全面地反映路堤荷载下桩-网复合地基中桩、土分担荷载的情况，但足以定性描述路堤填筑过程中荷载转移的过程。

4 结语

本文通过对试验数据进行对比分析，得到以下结论：

（1）在加筋材料夹铺层数相等的条件下，加筋垫层中加筋材料的夹铺位置对桩-网复合地基中桩顶土压力和桩间土表面土压力均有一定的影响，但影响有限。

（2）从试验结果来看，降低加筋垫层中加筋材料的夹铺位置起到了提高桩土应力比的目的。

（3）试验得出的桩土应力比虽不能较全面地反映路堤荷载下桩-网复合地基中桩、土分担荷载的情况，但足以定性描述路堤填筑过程中荷载转移的过程。

参考文献

［1］龚晓南.复合地基理论及工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［2］龚晓南.广义复合地基理论及工程应用［J］.岩土工程学报，2007（1）：1-13.

［3］陈昌富，李 欣，毛凤山.基于正交数值试验法深厚软土区复合地基按沉降控制优化设计［J］.公路工程，2018，43（2）：49-53，107.

［4］黄俊杰，王 薇，苏 谦，等.素混凝土桩复合地基支承路堤变形破坏模式［J］.岩土力学，2018，39（5）：1 653-1 661.

［5］周 虎，赵 辉，周 欢，等.自适应精英反向学习共生生物搜索算法［J］.计算机工程与应用，2016，52（19）：161-166.

［6］ Do Dieu，Lee Jaehong.A modified symbiotic organisms search（mSOS）algorithm for optimization of pin-jointed structures［J］.Applied Soft Computing，2017（61）：683-699.

［7］广东省交通规划设计研究院股份有限公司.兴宁至汕尾高速公路汕尾段一期工程工程地质勘察报告［R］.2016.

［8］Finno Richard J，Harahap Indra S.Finite Element Analyses of HDR-4 Excavation［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1991，117（10）：1 590.

［9］Clough G W，Duncan J M.Finite element analyses of retaining wall behavior［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1971，97（12）：1 657-1 673.

收稿日期：2023-10-20