樁承式加筋地基室內試驗及數值分析

劉飛禹，余 煒，蔡袁強，張孟喜

（1. 上海大學 土木工程系，上海 200072；2. 浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，杭州 310027）

1 引 言

樁承式加筋地基因其良好的工程性能和經濟效應，已被越來越廣泛地用于解決水利、交通等實際工程問題[1－3]。

與加筋地基的研究相比[4－6]，目前對于樁承式加筋地基的研究還比較有限。連峰等[7]通過現場試驗研究了樁-網復合地基的沉降變形、樁土應力比等性狀，認為土工格柵的荷載傳遞能力強于土拱。崔溦等[8]通過離心模型試驗，認為樁承式加筋地基雖然能滿足軟基的沉降控制要求，但單層格柵對于控制路堤沉降效果不明顯。芮瑞等[9]采用FLAC 3D軟件，揭示了樁-網復合地基與樁承式路堤兩種不同處理方式各自的特點，發現樁承式路堤更有利于減小地基變形。Low等[10]通過模型試驗，研究了方形布置的樁網復合地基中空間土拱效應的作用特性。Hello等[11]通過數值模擬與模型試驗相對比的方法，研究了樁承式加筋地基的張拉膜效應。Chen等[12]研究了樁土相對位移、水平加筋體等因素對樁土應力比的影響。陳艷平等[13]、馬學寧[14]等通過現場試驗和模型試驗，對土工格室碎石墊層+碎石樁復合地基的作用機制進行了研究。肖宏等[15]結合現場工程實踐，對樁網結構柔性拱進行研究，認為樁網結構柔性拱的沉降波形呈“網兜”狀。

然而，上述研究對樁承式加筋地基的承載力機制、樁土應力比、樁和網的受力狀況等方面的認識尚不統一，對影響樁承式加筋地基效果的因素也未進行系統分析。因此，本次首先進行室內模型試驗，研究樁承式加筋地基在靜載作用下的特性，然后采用FLAC3D建立三維流固耦合的計算模型，對影響樁承式加筋地基效果的因素進行分析。

2 模型試驗

2.1 試驗裝置

試驗裝置由反力架、油壓千斤頂、加載板、鋼化玻璃模型箱4部分組成。模型箱為長方體，尺寸為100 cm×80 cm×80 cm，如圖1所示。模型箱側面距底部約5 cm處設置出水口，內側用土工織物封閉。加載板為37 cm×37 cm×1.8 cm的鋼板，使用油壓千斤頂進行加載，量程為200 kN。

圖1 試驗裝置Fig.1 Layout of test setup

2.2 試驗方案

試驗共分4組：試驗1模擬天然軟土地基；試驗2模擬土工格柵加筋地基，在軟土層與砂墊層間鋪設1層土工格柵；試驗3模擬樁承式地基，在軟土地基中成矩形布置4×4根樁；試驗4模擬樁承式加筋地基，即在試驗3的基礎上，在軟土層與砂墊層間加鋪1層土工格柵。各層填料厚度及樁體和格柵的位置如圖2所示，使用油壓千斤頂對加載板從0.5 kN（3.65 kPa）加載至 6 kN（43.8 kPa），其中（）中數據千斤頂軸力加載板相應的加載應力值，分12級進行加載，每級遞增0.5 kN。當每級加載沉降量小于0.1 mm/30 min時視為沉降穩定，再進行下一級加載。試驗中實時記錄土壓力盒、格柵應變片、百分表的讀數。各測點具體位置如圖2所示。

圖2 測點布置示意圖（單位：mm）Fig.2 Layout of test points (unit: mm)

2.3 試驗材料

試驗選用的砂墊層填料為干凈的河砂，砂粒密度為 2.36，不均勻系數為 1.28，最大孔隙比為1.06，最小孔隙比為 0.67。碎石墊層的重度為18.12 kN/m3，內摩擦角為34°。試驗用土取自上海某建筑工地的淤泥質粉質黏土，土樣密封保存。軟土基本物理力學參數見表 1，選用的土工格柵規格及性能參數見表2。試驗使用C25預制混凝土模型樁。樁長50 cm，樁徑為5 cm。試驗中樁端嵌入碎石持力層5 cm。

表1 試驗用軟土物理力學指標Table1 Physico-mechanical properties of soft soil

表2 試驗用土工格柵規格及性能參數Table2 Physical properties of the geogrid

2.4 試驗方法

試驗裝置安裝完成后，首先在模型箱底部鋪10 cm碎石層，整平壓實作為持力層。試驗1、2直接分層填鋪軟黏土，取15 cm為1個分層，每層均整平壓實，鋪設高度為45 cm。試驗3、4，先鋪設15 cm厚軟土，整平壓實后，確定樁位并鉆孔取土。將2根貼好應變片的預制樁對中，用導向架定位，再用千斤頂將樁豎直壓入土中并進入碎石持力層5 cm，隨后，分層填土至45 cm高。軟土層鋪筑完畢后，在其表面鋪1層土工布，再用砂袋進行堆載預壓，所加荷載為試驗第一級加載的1/2；預壓7 d后取出土工布，在樁頂及樁間軟土表面設置好土壓力盒后，將土工格柵拉緊平鋪在樁頂，邊界進行反折錨固，反折高度為5 cm，折回長度為15 cm，見圖 2(a)。最后進行砂墊層的填筑。為了使各組試驗填入模型箱中的砂，具有基本相同的物理力學性能，每次倒入模型箱的填料重量相同，并且填料加載時要分層鋪填砂料，取10 cm為1個分層，每填完1層后，用重壓板將其壓實，再鋪設下1層砂，直至預定高度。砂墊層填筑完成后，同樣在其表面鋪 1層土工布，后用砂袋進行堆載預壓，所加荷載為試驗第一級加載的1/2，預壓72 h。經測試，4組試驗的砂墊層重度為 15.89～16.32 kN/m3，計算時取16.10 kN/m3，內摩擦角取29°。

3 數值模型建模

3.1 幾何模型及邊界條件

采用 FLAC3D建立了與模型試驗尺寸相同的三維流固耦合計算模型，具體尺寸及網格劃分情況如圖3所示。計算時，將模型底部三個方向的變形完全約束住，而模型四周則僅約束相應的水平變形。另外，假設地下水位線位于軟土地基頂面。將模型四周邊界設置為不透水邊界；模型底面設定為透水邊界。

圖3 三維計算模型網格劃分示意圖（單位：m）Fig.3 Layout of three-dimensional model mesh (unit: m)

3.2 材料參數

土工格柵和樁體的特性分別采用geogrid和pile結構單元來模擬。砂墊層、軟土層和持力層均采用摩爾-庫侖模型來模擬。各項材料參數取值與試驗相同，滲透系數取1.0×10-6m/s。

4 試驗結果及分析

4.1 荷載-沉降關系

圖4為各組試驗加載板的荷載-沉降關系曲線，并與數值模擬的結果進行了對比。加載板上的沉降觀測點位置見圖2(b)，對B1、B2兩點測得的結果取平均，即為加載板的沉降值。由試驗1曲線看到，天然軟土地基在逐級加載的過程中，加載板的沉降值或沉降增長率（△S/△P）都隨荷載值的增加而增加，增至第四級荷載后，加載板上荷載值無法繼續增加，而加載板的沉降值卻不斷增大，此時，試驗現場觀察到砂墊層表面已發生沖切破壞，對應的極限承載力為14.6 kPa。試驗2采用土工格柵加固軟基后，同級荷載作用下加載板沉降值有所減小，而加固后的軟基極限承載力提高到18.25 kPa。相比于試驗1，試驗2地基極限荷載提高1.25倍。對于試驗3樁承式地基的情況，在土拱效應和樁體加固效應的共同作用下，同級荷載作用時加載板沉降值相對于試驗2又有明顯減小，試驗3樁承式地基極限承載力也提高到了29.2 kPa，相比于試驗1提高20倍。試驗4綜合了試驗2和試驗3兩種地基處理方式的優點，同級荷載作用下其加載板沉降值最小，極限荷載更是得到顯著提高，達到43.8 kPa，比試驗1提高3倍，說明樁承式加筋地基可以有效地減小加載板的沉降量，顯著地提高了軟土地基的承載力。另外，從圖4中試驗結果與數值分析結果的對比可以看出，兩者較好吻合，表明本文所建立的樁承式加筋路堤流固耦合的分析模型是合理的。

圖4 加載板的荷載-沉降關系曲線Fig.4 Load-displacement curves of loading board

4.2 樁土應力

圖5為試驗3、4中樁土應力比隨荷載變化曲線，其中樁頂應力取Y1、Y3、Y5、Y7的平均值，樁間土應力取Y2、Y4、Y6、Y8的平均值，各測點的位置見圖2(b)。

圖5 樁土應力比隨荷載變化曲線Fig.5 Load- pile-soil stress ratio curves

從圖5可以看出，隨著荷載的不斷增大，試驗3、4測得的樁土應力比都呈現先增大后減小的變化趨勢，這是由于加載初期，軟土地基頂面樁土位移差不斷增大，砂墊層中的土拱效應逐步發揮作用，直至樁土應力比達到峰值。而后，隨著加載值繼續增大，樁土位移差也繼續增大，砂墊層中土拱效應逐漸受到破壞，樁土應力比相應減小。但在同級荷載作用下，試驗4測得的樁土應力比都要大于試驗3，試驗 3測得的最大樁土應力比為17，而試驗 4達到了23，是試驗3的1.35倍，說明相比于樁承式地基，樁承式加筋地基在增加了水平向加筋體土工格柵后，更有利于將上部砂墊層荷載傳遞至樁頂，使得“樁-網-土”三者協同作用，形成更有效的承載體系，從而顯著提高加筋地基承載力。

4.3 樁身軸向應變

圖6為試驗3、4中樁身軸向應變沿深度的變化規律。各測點應變片位置見圖 2(a)。從圖 6(a)可以看出，在不同荷載作用下，隨著距軟土地基頂面深度的增加，樁身軸向應變呈現先增大后減小的變化趨勢。另外，隨著荷載的不斷增大，樁身各點軸向應變值相應增加。3種荷載條件下樁身軸向應變最大值分別為-395.1、-457.3、-603.5 με。對于試驗4樁承式加筋地基，樁身軸向應變沿深度的變化規律如圖6(b)所示，與試驗3基本一致，但在同一荷載作用下，試驗4中樁身軸向應變值要明顯大于試驗3。

圖6 樁身軸向應變沿深度的變化曲線Fig.6 Strain of pile-depths of the points

3種荷載條件下試驗4樁身軸向應變最大值為-428.2、-623.5、-912.7 με，分別是試驗 3 的 1.08、1.36、1.51倍，說明相比于試驗3樁承式地基，試驗4樁承式加筋地基可以將更多的上部荷載通過樁體直接傳遞到持力層，有效地提高了加筋地基承載力。

4.4 土工格柵應變

圖7為逐級加載過程中試驗2、4不同監測點處土工格柵應變值隨荷載的變化曲線。W1～W7各點格柵應變位置見圖2(b)。由于對稱性，本文只給出了W1～W4點的格柵應變值。從圖7(a)試驗2的曲線可以看出，隨著加載值的不斷增大，各測點的格柵應變值不斷增大。在同一荷載作用下，距離地基中心越近的測點，格柵應變值越大，表明土工格柵應力沿線路橫向形成了“中間大，兩頭小”的分布態勢。對于試驗 4，在同級荷載作用下位于樁間土上的測點W2、W4的格柵應變值，明顯大于位于樁頂上的格柵測點 W1、W3的應變值。相比試驗 2測得的格柵應變最大值1287 με，試驗4中格柵應變的最大值達到了13399 με，增大了10.4倍，表明樁承式加筋地基中，土工格柵張拉膜效應比加筋地基中更明顯，從而能更有效提高地基的承載力。

圖7 土工格柵應變隨荷載的變化Fig.7 Strain of grogrid-load curves

5 影響加筋效果的因素分析

本節采用 FLAC3D建立的樁承式加筋地基流固耦合分析模型，對影響其性能的因素進行計算分析。

5.1 樁間距對沉降的影響

圖8為不同樁間距時A點的荷載-沉降關系曲線。隨著樁間距的增大，同級荷載作用下A點的沉降逐漸增大，當加載值為43.8 kPa時，沉降值分別為84.56、93.34、97.32 mm，表明樁間距越小，樁承式加筋地基的沉降值越小。但樁間距的減小，意味著樁體數量的增加，經濟性受影響。

圖8 樁間距對A點荷載-沉降的影響Fig.8 Influence of spacing between piles on displacements

5.2 樁間距對樁土應力比的影響

圖9為不同樁間距時樁土應力比隨加載值的變化曲線。由圖可見，同級荷載下，隨著樁間距的不斷減小，樁土應力比逐漸增大。這主要是由于樁間距越大，形成完整土拱所需的砂墊層厚度也越大。因此，在砂墊層厚度相等的情況下，樁間距越大，土拱效應越小，樁土應力比也越小。

圖9 樁間距對樁土應力比的影響Fig.9 Influence of spacing between piles on pile-soil stress ratios

5.3 格柵模量對沉降的影響

圖10為不同格柵模量時A點的荷載-沉降關系曲線。從圖中可以看出，同級荷載作用下A點的沉降值隨格柵模量的增大而減小，而且加載值越大，增大格柵模量對減小A點沉降的效果越明顯。這是由于土工格柵只在產生一定的變形后才能逐漸發揮張拉膜效應，當加載值較小時，格柵變形較小。格柵模量對沉降的影響并不是很明顯，只有在加載值達到一定程度后，增大格柵模量對減小地基的沉降才有顯著的效果。

圖10 格柵模量對A點沉降的影響Fig.10 Influence of geogrid modulus on displacements

5.4 格柵模量對樁土應力比的影響

圖11為不同格柵模量時樁土應力比隨加載值的變化曲線。由圖可見，同級荷載作用下，隨著格柵模量的增大，樁土應力比逐漸增大。說明增大格柵模量，可以使得樁承式加筋地基中土工格柵的張拉膜效應得到更有效的發揮，進而將更多的上部荷載傳遞至樁頂，導致樁土應力比的增大。

圖11 格柵模量對樁土應力比的影響Fig.11 Influence of geogrid modulus on pile-soil stress ratios

6 結 論

（1）樁承式加筋地基可以有效地減小軟土地基的沉降量，大幅提高軟土地基的承載力。

（2）相比于樁承式地基，樁承式加筋地基在增加水平向加筋體后，能形成更有效的承載體系。

（3）隨著樁間距的增大，樁承式加筋地基表面沉降逐漸增大，樁土應力比逐漸減小。

（4）隨著格柵模量的增加，樁承式加筋地基表面沉降逐漸減小，樁土應力比逐漸增大。

[1]HAN J,GABR M A. Numerical analysis of geosynthetic reinforced and pile-supported earth platforms over soft soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2002,128(1): 44－53.

[2]HUANG J,HAN J. 3D coupled mechanical and hydraulic modeling of a geosynthetic-reinforced deep mixed column-supported embankment[J]. Geotextiles and Geomembranes,2009,27(4): 272－280.

[3]饒為國,趙成剛. 樁-網復合地基應力比分析與計算[J].土木工程學報,2002,35(2): 74－80.RAO Wei-guo,ZHAO Cheng-gang. The behavior of pile-net composite foundation[J]. China Civil Engineering Journal,2002,35(2): 74－79.

[4]BASUDHAR P K,SAHA S,DEB K. Circular footings resting on geotextile-reinforced sand bed[J]. Geotextiles and Geomembranes,2007,25(6): 377－384.

[5]MOSTAFA A,SAWWAF E. Behavior of strip footing on geogrid-reinforced sand over a soft clay slope[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,25(1): 50－60.

[6]LATHA G M,SOMWANSHI A. Bearing capacity of square footings on geosynthetic reinforced sand[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(4): 281－294.

[7]連峰,龔曉南,崔詩才,等. 樁-網復合地基承載性狀現場試驗研究[J]. 巖土力學,2009,30(4): 1057－1062.LIAN Feng,GONG Xiao-nan,CUI Shi-cai,et al. Field study of bearing behavior of pile-net composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1057－1062.

[8]崔溦,閆澍旺. 水泥土樁聯合土工格柵復合地基的離心模型試驗研究[J]. 巖土力學,2008,29(5): 1315－1319.CUI Wei,YAN Shu-wang. The study of centrifugal model test on cement-soil pile joint geogrid composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(5):1315－1319.

[9]芮瑞,夏元友. 樁-網復合地基與樁承式路堤的對比數值模擬[J]. 巖土工程學報,2007,29(5): 769－772.RUI Rui,XIA Yuan-you. Numerical simulation and comparison of pile-net composite foundation with pile-supported embankment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(5): 769－772.

[10]LOW B K,TANG S K,CHOA V. Arching in piled embankments[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(11): 1917－1938.

[11]HELLO B L,B P V. Embankments reinforced by piles and geosynthetics—Numerical and experimental studies dealing with the transfer of load on the soil embankment[J]. Engineering Geology,2009,106: 78－91.

[12]CHEN Yun-min,CAO Wei-ping,CHEN Ren-peng. An experimental investigation of soil arching within basalreinforced and unreinforced piled embankments[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,26: 164－174.

[13]陳艷平,趙明華,陳昌富,等. 土工格室碎石墊層-碎石樁復合地基相似模型試驗[J]. 中國公路學報,2006,19(1): 17－22.CHEN Yan-ping,ZHAO Ming-hua,CHEN Chang-fu,et al. Similarity model test of geocell reinforced gravel mattress and gravel pile composite foundation[J]. China Journal of Highway and Transport,2006,19(1): 17－22.

[14]馬學寧,楊有海,梁波. 土工格柵砂墊層與碎石樁復合地基承載試驗研究[J]. 蘭州交通大學學報（自然科學版）,2005,24(4): 24－27.MA Xue-ning,YANG You-hai,LIANG Bo. Bearing capacity model test of geogrid reinforced sand blanket and gravel pile composite foundation[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University (Natural Sciences),2005,24(4): 24－27.

[15]肖宏,蔣關魯,魏永幸. 樁網結構模型試驗柔性拱研究[J]. 巖土力學,2008,29(11): 3032－3036.XIAO Hong,JIANG Guan-lu,WEI Yong-xing. Study of flexible arch of model test in column-net structure[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(11): 3032－3036.