雙層加筋長度對GESC承載性能影響的研究

鄒辰皓 王家全 唐瀅 唐毅

摘? 要：為研究雙層加筋包裹長度對土工格柵加筋包裹碎石樁（geosynthetic-encased stone column， GESC）承載性能的影響，基于已建立的離散-連續(xù)耦合數(shù)值模型進行了多組不同加筋包裹長度的GESC靜載數(shù)值試驗，對不同加筋包裹長度下樁體荷載-沉降規(guī)律、應力傳遞規(guī)律、孔隙率變化和接觸力分布的差異進行分析。試驗結果表明：相較于單層加筋包裹，雙層加筋包裹不影響樁體極限承載力，但樁頂最終沉降明顯減小，加筋長度取1.0D（D為樁徑）時單位加筋長度減少的沉降為單層加筋時的19.38%，此時可以兼顧加筋效果、承載性能和經(jīng)濟效益;樁體軸向應力傳遞規(guī)律不受加筋長度的影響，但加筋長度的增加增強了筋土作用，使得樁體上部軸向應力快速衰減;在細觀方面，隨著雙層加筋長度的增加， 樁體孔隙率降低了5.19%，強接觸力分布峰度增加了117.22%，這表明加筋長度的增加提升了樁周約束條件，使得樁體內(nèi)部受力結構更加密實。

關鍵詞：加筋包裹碎石樁（GESC）;承載性能;離散元方法;耦合計算;加筋長度

中圖分類號：TU411;U416.03? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.03.009

0? ?引言

隨著我國基建事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設于沿海、沿江、湖泊的軟弱土層上的公路、鐵路工程項目不斷增加，傳統(tǒng)的地基處理方式難以經(jīng)濟高效地處理具有高含水率、低強度等物理性質的軟土地基。1977年，我國首次將碎石樁法用于處理軟土地基，碎石樁法造價低廉、施工迅速，在提高地基承載力、減小地基沉降的同時還能作為排水通道加快土體固結。然而作為散體材料，當周圍土體強度過低時，碎石樁極易發(fā)生鼓脹破壞進而喪失承載力。為了減少碎石樁對于地基土強度的依賴，在碎石樁外包裹土工格柵是一種可靠的方法，這種新型碎石樁稱為土工格柵加筋包裹碎石樁（geosynthetic-encased stone column， GESC）。

國內(nèi)外學者在格柵與土之間的筋土界面作用方面開展了大量的研究工作[1-3]，但GESC涉及碎石-筋材-土3種不同材料之間的相互作用，目前的研究成果尚不能完全解釋GESC的作用機理。為深入探究GESC應力-應變規(guī)律，國內(nèi)外學者開展了一系列試驗研究。Murugesan等[4-6]指出，碎石樁通過合適的土工材料包裹后，其承載力和剛度均得到較大的提高。歐陽芳等[7]發(fā)現(xiàn)部分包裹碎石樁相對于碎石樁性能提升不明顯，而全長包裹碎石樁對性能提升顯著。Murugesan等[8]通過室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)加筋包裹碎石樁于地表下2倍樁徑處產(chǎn)生最大鼓脹，且相同置換率下，樁徑越小，地基承載性能越強。陳建峰等[9]通過離心模型試驗研究了格柵套筒長度對加筋包裹碎石樁復合地基路堤承載性能的影響，試驗結果表明：由于半長加筋樁抗彎強度不足，半長加筋包裹碎石樁復合地基路堤的沉降遠大于全長加筋。Zhou等[10]利用數(shù)字圖像相關技術和透明土相結合的方法，對GESC和未加筋的碎石樁（ordinary stone column，OSC）進行了可視化模型試驗，發(fā)現(xiàn)GESC在1.05 ～ 1.40倍樁徑埋深內(nèi)發(fā)生鼓脹，樁體鼓脹對周圍0 ～ 3倍樁徑的土體產(chǎn)生影響。

GESC性能受到多種材料相互作用的影響，通過室內(nèi)試驗能夠獲得包裹碎石樁宏觀的應力-應變規(guī)律，但難以觀察到樁體內(nèi)部詳細的應力-應變演化規(guī)律。而數(shù)值模擬方法可以揭示模型內(nèi)部多種材料相互作用機制，將包裹碎石樁的細觀特性和宏觀表征相聯(lián)系，為更好地建立包裹碎石樁復合地基理論提供基礎。在數(shù)值研究方面，譚鑫等[11]使用FLAC3D建立了流固耦合模型，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)碎石樁相比，加筋碎石樁復合地基的樁土應力比顯著增大，樁身側向變形、超孔壓及沉降顯著減小。Debbabi等[12]利用PLAXIS2D對公路路堤進行模擬，發(fā)現(xiàn)加筋包裹碎石樁可顯著減少鼓脹并合理控制沉降。Muzammil等[13]使用PLAXIS3D對加筋包裹碎石樁的承載機理進行了研究，結果表明加筋長度達到樁體直徑的6倍時，可獲得與完全加筋的碎石樁相同的承載性能。梁乘瑋等[14]使用Abaqus建立的有限元模型探究了筋材的彈性模量、長度和包裹位置的不同對包裹碎石樁承載性能的影響，發(fā)現(xiàn)樁體承載性能隨加筋長度和筋材模量的增加而提高，樁體中部為最優(yōu)加筋位置。朱彥博等[15]使用二維有限元模型分析了加筋體剛度和樁數(shù)對加筋碎石樁復合地基承載性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加加筋體剛度可以顯著提高地基承載力，增加樁數(shù)可以有效提高復合地基排水速率。

目前國內(nèi)外學者對GESC加筋方式的探究大都集中在單層包裹加筋的長度[7，9，13-14]、位置[14]和筋材的抗拉強度[14-15]等方面，對于雙層加筋包裹長度的影響鮮有涉及。雙層加筋包裹是在全長加筋包裹的基礎上，在筋材外圍再包裹一層一定長度的筋材，以提高GESC的承載性能。在GESC承載性能因筋材強度受制于材料特性無法提升的情況下給予了額外的提升空間。本文在室內(nèi)模型試驗基礎上，采用PFC3D-FLAC3D離散-連續(xù)耦合算法建立數(shù)值模型，從宏觀和細觀層面探究雙層加筋長度對GESC承載性能的影響，揭示筋材對GESC受力的貢獻，為改良加筋包裹碎石樁設計方法提供借鑒。

1? ? 室內(nèi)試驗概況

室內(nèi)模型試驗使用邊長為1 m的正方體模型箱（圖1），箱內(nèi)底部覆蓋厚度為200 mm的堅硬持力土層。取樁長L = 800 mm，取樁徑D = 200 mm，碎石骨料粒徑為20 ～ 50 mm的自然級配碎石，樁周填充軟塑黏土，由三軸試驗測得土體黏聚力為11 kPa，內(nèi)摩擦角為20°。試驗所用土工格柵具體技術指標如表1所示。

試驗中使用預埋法，為保證樁體密實，填筑過程中每200 mm擊實一次。使用DJM-500電液伺服加載系統(tǒng)進行逐級等量加載，每一次施加荷載為預試驗中GESC極限承載力的1/10，首次加載量為分級荷載的2倍。通過預試驗測得GESC極限承載力為20 kN，所以試驗中第一次加載量為4 kN，往后每級荷載2 kN，直至連續(xù)1 h內(nèi)樁頂沉降小于0.1 mm，即施加下一級荷載。當沉降急劇增大時，即認為GESC完全破壞失效，試驗中GESC破壞時樁頂荷載為23 kN。

2? ? 模型建立及驗證

數(shù)值模型使用FLAC3D和PFC3D耦合建立，圖2為模型1/2剖面圖，其中藍色為碎石顆粒，黑色為格柵顆粒，紅色為黏土顆粒，外圍淡藍色部分為FLAC3D黏土網(wǎng)格。其中，碎石顆粒使用線性接觸模型，格柵顆粒使用平行黏結模型，黏土顆粒使用接觸黏結模型。外層FLAC3D黏土使用摩爾-庫倫本構模型，標定后采用的楊氏模量為7.6×105 kPa，泊松比為0.4，黏聚力為11 kPa，摩擦角為20°。模型中離散元部分參數(shù)如表2所示。

圖3為數(shù)值耦合模型的樁頂荷載-沉降關系曲線與模型試驗結果的對比圖，兩者表現(xiàn)出良好的相關性。模擬曲線與試驗曲線基本貼合，兩者最大相差不超過10 mm，且都在樁頂荷載為732.11 kPa 時發(fā)生破壞，表明建立的耦合模型能夠較好地模擬模型試驗中GESC的力學響應。

3? ? 雙層加筋長度對GESC受力變形特性的影響

為探究雙層加筋長度對GESC承載性能的影響，本文基于已建立的數(shù)值模型進行了雙層加筋0.5D、1.0D、2.0D、3.0D共4組不同加筋長度的試驗。在PFC中實現(xiàn)雙層加筋只需在全長單層加筋包裹的基礎上再生成一層長度為D的不同分組的格柵球體進行包裹，兩組格柵的球體只對同組球體具有黏結力，兩組之間則為線性接觸。而由于兩組格柵力學性能相同，因此，可以直接使用以單層GESC室內(nèi)試驗所標定的細觀參數(shù)進行雙層格柵包裹試驗。試驗所得荷載-沉降曲線見圖4。由圖4可以看到，GESC的極限承載力并不隨著雙層加筋體長度的增加而增加。最終沉降相較于單層加筋降幅、單位加筋長度沉降降幅見表3。由表3可見，相較于單層加筋，無論第二層加筋長度的多少，樁頂最終沉降都大幅降低，且降幅隨雙層加筋體長度的增加而增加。為找出最經(jīng)濟、有效的加筋長度，計算了單位加筋長度沉降降幅，結果表明，加筋長度為1.0D時單位加筋長度所對應的沉降降幅最大，所以綜合考慮GESC承載性能和經(jīng)濟效益，雙層1.0D加筋為最優(yōu)選。

3.1? ?對軸向應力的影響

碎石顆粒尺寸過大導致測得的樁體內(nèi)土壓力數(shù)據(jù)離散性極強，且土壓力盒極易與碎石的棱角接觸而產(chǎn)生超載，因此，難以在室內(nèi)試驗中得到理想的樁體內(nèi)應力數(shù)據(jù)。在數(shù)值模擬中則可以通過在不同區(qū)域設置測量球來計算出該區(qū)域內(nèi)的平均應力。通過在不同埋深處設置測量球，繪制各工況樁體軸向應力分布曲線見圖5。由圖5可知，不同加筋長度下軸向應力延埋深分布規(guī)律高度相似：在樁體上半部分急劇下降，并在下半部分趨于平穩(wěn)。這是因為樁體上部在樁頂荷載下發(fā)生了較大形變，軸向應力在劇烈的樁土相互作用下分散到樁周土體中，而樁體下半部因為承受的荷載減小，樁周土約束力強，樁土間相互作用較弱，軸向應力就比較穩(wěn)定。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，樁體上部軸向應力隨加筋長度的增加而減小，這可能是因為加筋長度的增加加劇了樁土相互作用，進而導致樁體內(nèi)軸向應力的減小。

3.2? ?對孔隙率的影響

孔隙率反映了顆粒的密實程度，孔隙率越低顆粒越密實，顆粒骨架也越穩(wěn)定。在PFC3D中，孔隙率同樣可以由測量球測得。從圖6可以看出，樁體整體孔隙率隨加筋長度的增加而減小，最大降幅達5.19%，但孔隙率始終在0.25L處達到最大。這表明增加雙層加筋體的長度確實有利于使GESC在外荷載下致密化，進而提高樁體承載性能，但加筋長度的增加并未改變GESC應力-應變特性，樁體始終在0.25L埋深處處于最不利狀態(tài)。

3.3? ?對接觸力分布的影響

為便于分析，國內(nèi)外學者大多將向量的模大于平均值的接觸力定義為強接觸力，反之則為弱接觸力。樁體內(nèi)強弱接觸力分布見圖7，其中[f]為接觸力（[F]）與平均接觸力（[F]）的比值。由圖7可以看到，不同加筋長度下的接觸力延埋深分布規(guī)律高度相似：弱接觸力分布近似平均，強接觸力延埋深逐漸減少，這表明加筋長度的增加不會改變樁體中力的傳遞規(guī)律。

對各工況下強接觸力分布峰度進行計算，計算結果見表4，峰度表現(xiàn)了概率密度分布曲線在平均值處峰值高低的特征數(shù)，從直觀看來，峰度反映了概率密度分布曲線峰部的尖度。對于具有[n]個值的樣本，樣本峰度計算公式為：

[g2=m4m22?3=1ni=1nxi?x41ni=1nxi?x22?3] .? ? ? ?（1）

其中：[m4]是四階樣本中心矩，[m2]是二階中心矩（即樣本方差），[xi]是樣本中第[i]個值（本文中為第[i]個強接觸力的模量），[x]是樣本平均值。

峰度反映了概率密度分布曲線峰部的尖度，在本文則反映了不同加筋長度所能承受的樁體內(nèi)最強接觸力的大小，峰度越高則樁的承載性能越強。從表4中可以看出，峰度隨著加筋長度的增加而增加，而單位加筋長度的峰度增幅則在雙層加筋長度1.0D時達到峰值，這與樁頂沉降分析所表現(xiàn)的規(guī)律相吻合，再一次證明雙層1.0D加筋為最經(jīng)濟、有效的加筋方式。

4? ? 結論

1）相較于單層加筋包裹，雙層加筋包裹下的碎石樁樁頂沉降顯著降低，且隨雙層加筋長度的增加而減小，雙層加筋長度為3.0D時最大沉降降幅可達29.77%。但實際工程中應綜合考慮承載性能和經(jīng)濟效益，選擇雙層加筋長度為1.0D時的加筋方案，此時對應的沉降降幅為19.38%。

2）雙層加筋長度的增加不改變包裹碎石樁樁體的應力傳遞規(guī)律：軸向應力在樁體上半部分急劇下降，并在下半部分趨于平穩(wěn)，但加筋長度的增加加劇了筋土相互作用，使得樁體上部軸向應力更多地分散到樁周土內(nèi)。

3）加筋長度的增長加強了樁體上部的約束條件，使得樁體形成更為密實的受力結構，其細觀表現(xiàn)為：加筋長度從0.5D到3.0D，樁體孔隙率降低了5.19%，強接觸力分布峰度增加了117.22%。

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The effect of length of double reinforcement on GESC

bearing capacity

ZOU Chenhao， WANG Jiaquan*， TANG Ying， TANG Yi

（School of Civil Engineering and Architecture ， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the effect of length of double reinforcement on GESC bearing capacity， based on the established discrete-continuous coupled numerical model， several sets of GESC static loading numerical tests with different reinforced package lengths were carried out， and the differences of pile load settlement， stress transfer， porosity change and contact force distribution under different reinforced package lengths were analyzed. The results show that compared with single-layer reinforced stone column， double-layer reinforced stone column does not affect the ultimate bearing capacity of pile body， but the ultimate settlement of pile top decreases obviously.When the reinforcement length is 1.0D， the settlement of per reinforcement length is 19.38% of that of single-layer reinforcement，which can balance the bearing capacity and economic benefits of reinforcement. The axial stress transfer law of pile is not affected by the reinforcement length，but the increase of the reinforcement length intensifies the effect of reinforcement and soil， which makes the axial stress on the top of pile decay rapidly.In terms of microstructure， with the increase of double reinforcement length， the porosity of pile decreases by 5.19%， and the kurtosis of strong contact force distribution increases by 117.22%， which indicates that the increase of reinforcement length improves the circumferential constraints of pile and makes the internal stress structure of pile more compact.

Key words： geosynthetic encased stone column; bearing capacity; discrete element method; coupling calculation; length of reinforcement

（責任編輯：羅小芬）