土工合成材料用于路基加固樁優化研究

摘要 樁是一種路基加固的有效方法，土工合成材料具有加固土體承載能力和穩定性的特點，但其作為筋材發揮約束作用主要是用于加筋土或樁網結構等。該文介紹了兩種土工合成材料用于碎石樁和水泥漿樁的優化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁（土工合成包覆預應力水泥漿樁），從制備、原理、應用與推廣等方面展開分析。得出結論：（1）加筋碎石樁利用土工合成材料包裹碎石樁來提供約束，提高了土體的極限荷載和剛度。單樁以脹形破壞模式為主，通常發生在距樁頂D～2D深度處；樁群的破壞模式為脹形和側向變形結合。（2）GEP水泥漿樁復合地基后期承載力有所提高，土工格柵的存在有效地減少了復合地基在變荷載作用下的沉降；土工格柵套管對水泥漿加固樁進行封堵，有利于荷載向下傳遞，抑制樁側脹變形，減輕樁裂，增強樁承載力，具有很好的環保和經濟效益，該文研究成果可為路基加固樁優化和推廣應用提供參考。

關鍵詞 路基加固；土工合成材料；加筋碎石樁；GEP水泥漿樁

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0064-03

0 引言

道路建設和運營中，由于前期設計不合理、施工過程不規范、后期養護不到位、交通運行超載、環境復雜等許多方面的原因，路面出現不同類型的病害，且破壞的程度及對行車安全、道路使用壽命的影響也不同，主要的病害有：沉陷、裂縫、車轍、翻漿等。對路面病害的早期預防和處治相當重要，為避免和延緩病害發生，首要是路基加固，承載力和沉降是控制基礎設計和性能的重要標準。目前，我國對路基加固技術進行了大量的研究，如路基換填法、排水固結法、擠壓法、補強法等，樁作為復合地基方法的一種，已經得到了廣泛的應用。

土工合成材料具有提高加固土體承載能力和穩定性的特點，其能吸收因設計荷載的影響而在土體中產生的拉應力。在設計帶土工格柵加固和土工織物材料的土床時，弱水飽和黏性土表面產生的總法向應力很小，小于其結構強度，與設計不帶加固材料的土床形成鮮明對比。使用土工格柵和土工織物材料加固的土床結構與未加固的土床結構相比，總法向應力減少約一半，承載能力增加一半[1]。但目前土工合成材料作為筋材發揮約束作用主要是用于加筋土或樁網結構等，將其與碎石樁或水泥漿樁結合的應用研究較少。

該文分析了兩種土工合成材料用于碎石樁和水泥漿樁的優化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁（土工合成包覆預應力水泥漿樁），從制備、原理、應用與推廣等方面展開分析，該文研究成果可為路基加固樁技術優化及應用提供一定的參考。

1 土工合成材料包裹碎石樁（加筋碎石樁）

碎石樁應用的一個主要限制是在荷載作用下的破壞——脹形破壞、剪切破壞和沖孔破壞。在軟土中，未加筋的碎石樁，由于側向約束較低，無法承受較大的荷載，在該情況下，可以通過用土工合成材料包裹碎石樁來提供約束，增加承載力、剛度，且減少碎石樁的側脹，加筋碎石樁示意圖如下圖1所示。

1.1 變形與破壞模式

脹形破壞發生在距碎石樁頂部D～2D深度處，但破壞尺寸小于不加筋情況；破壞模式是脹形和側向撓曲的結合，碎石樁的側向位移以沿板邊緣向外的位移為主，大于向板中心的位移。

1.2 沉降特性

隨著樁徑增大，承載能力增大，豎向圍護的土工合成材料增加了樁的極限承載力和剛度，且減少了樁的側脹。通過提高圍護材料的極限抗拉強度，在全長和半樁長圍護下，極限承載力均高于不加筋情況；且全長圍護比半樁長圍護效果更好，半樁長圍護效果隨著樁徑增大而變好（隨著樁徑的增大，最大脹形量與初始樁徑的比值增大，包裹體的徑向應變增加，土工布材料的拉應力隨著應變的增大而增大，抗拉強度與碎石樁受到的側向約束增加）。

1.3 負載比

將負載比（load ratio，L.R.）定義為是否設置加筋碎石樁軟土所能承受極限荷載的比值。隨著土工合成材料的設置長度和抗拉強度的增加，L.R.相應增大，因為土工合成材料為樁提供了側向約束，減少了脹形。隨著加載進行，沉降量增加，但沉降量增大到一定值后，由于脹形發生，樁達到最大強度后，L.R.減小。

1.4 應力集中比

外荷載在樁剛度與軟土剛度之比在樁和軟土之間進行分配，由于樁的剛度大于軟土的剛度，因此樁的應力大于周圍軟土的應力。將樁應力與周圍軟土應力之比定義為應力集中比（SCR，用n表示），增加土工材料的長度和抗拉強度，碎石樁剛度隨之增加，n值隨之增加。n值先隨著沉降值增大而迅速增大，后逐漸減小，最后趨于恒定[2]。原因在于：最初階段，加載位移增大，樁向下移動，樁顆粒重排，一定程度上樁密度增大，導致顆粒之間的機械聯鎖；隨著荷載和沉降的增加，顆粒狀物質有向周圍軟土橫向移動的趨勢，導致荷載逐漸轉移到軟土上，n值降低。小樁徑樁的n值大于大直徑樁的n值，可能是較小樁徑的樁周土應力得到更大程度的調動。

2 GEP水泥漿樁

土工合成包覆預應力（GEP）水泥漿樁技術[5]（GEP水泥漿樁）是將廢泥漿和水泥的混合物包裹在土工合成套管中，進行預應力條件下養護以提高其穩定性和強度。水泥漿樁的承載力主要依賴于樁自身的約束和樁周土體的側向極限壓力，水泥漿加固樁的膨脹破壞最容易發生在樁的上部，特別是當樁周土體較軟時，所提供的側向約束力往往不足。設置土工格柵箍住水泥漿樁，可以使土工格柵與土體共同提供側向力，減少變形，且由于土工格柵的抗拉強度高，在一定程度上可以避免脹形損傷，此外，土工格柵能有效將樁頂荷載向下傳遞，限制樁的膨脹，減緩樁體開裂，提高水泥漿樁的承載能力。

2.1 制備方法

該方法需要利用管道振動形成井眼，在下沉管內預先安裝環空土工合成套管，將均勻混合和固化的泥漿引入下沉管，形成GEP膠結泥漿樁，并通過壓力裝置在膠結泥漿增強樁的頂端施加預應力，其制備示意如下圖2所示[5]。

2.2 承載力傳遞規律探究

（1）復合地基極限承載力

當豎向荷載作用在復合地基上時，土工格柵將提供徑向圍壓，可以防止復合地基中樁的側向變形，水泥加固樁可能表現出過度脆性，而土工格柵的加入可以有效地增強樁的脆性破壞行為。但值得注意的是，當樁被破壞時，土工格柵在未被拉脫的情況下發生了一定程度的脹形變形，說明其抗拉強度沒有得到充分利用，該現象導致復合地基承載力存在觀測誤差，但仍可以用于定量預測復合地基中不同工況下水泥漿樁的極限承載力。

（2）復合地基中水泥漿樁的內應力傳遞規律

豎向荷載作用于復合地基時，樁體上部受壓，對樁周土體產生向下位移，同時土體也阻礙這種向下的位移，從而在樁側表面產生相對向上的摩擦力。樁上荷載通過樁側摩擦逐漸傳遞給周圍土層，隨著樁深的增加，樁荷載和壓縮變形逐漸減小，在樁深及以下，樁土相對位移為0，樁側摩擦力尚未產生，因此為0。在樁荷載初始階段，樁側摩阻力與向下位移近似呈線性關系，隨著荷載的增大，位移和樁身壓縮也隨之增大，下部摩擦力逐漸被調動起來，將部分荷載傳遞給樁端土層承擔，造成樁端土層壓縮變形，進而產生樁端阻力。另一方面，由于樁端土層的壓縮，樁土之間的相對位移進一步增大，導致樁側摩阻力進一步發展。當樁側摩阻力達到極限，且位移繼續增大時，樁側摩阻力保持不變，而樁端阻力繼續增大。

（3）復合地基承載力影響因素分析

圍護土工格柵對復合地基中水泥漿樁的側向變形具有明顯的抑制作用，此種包裹有效地減少了復合地基中樁的側向變形，減輕復合地基的沉降，從而提高復合地基的承載力。采用彈性模量較高的土工格柵，可減少復合地基樁頭的沉降和側向變形，此外較大的內摩擦角和黏結力有助于減小沉降和側向變形，從而提高復合地基的極限承載力。

影響水泥漿樁復合地基極限承載力的因素主要為：土工格柵材料、內摩擦角、黏結力、長徑比。分析表明：樁的內摩擦角和黏結力對復合地基的沉降有顯著影響，預應力養護可以增大樁的內摩擦角和黏結力，從而提高復合地基的極限承載力。但需要注意的是，預應力支護也增加了樁的脆性，土工格柵的約束作用增強了復合地基中樁的強度和延性，補充了預應力支護的作用，同時提高復合地基中樁的抗壓強度和延性。

在設計過程中，建議選用高強度、高彈性模量的土工格柵材料，另外在養護過程中應對樁進行適當的預應力處理，以保證復合地基的承載力滿足實際施工的要求。這種綜合方法結合了高強度土工格柵材料的使用、預應力養護和適當的設計考慮，以優化復合地基的強度、延性和承載能力。

2.3 應用與推廣

隨著城市化進程的加快、地下空間的開發以及交通基礎設施的建設，在鉆孔灌注樁施工、盾構隧道施工、連續墻施工等過程中產生了大量的工程廢漿，該廢漿如果處理不當，會造成環境污染和生態破壞。此外，交通運輸業的發展，包括水路運輸的發展，需要進行許多港口和航道疏浚工程，產生大量的疏浚污泥。工業廢漿和疏浚土由于含水量較高，工程性質較差，不適合直接用于工程建設，只能成為廢棄物。

將廢漿固化為充填料是一種常用的資源化利用方法，水泥、石灰是常用的固化材料，還有粉煤灰、磷石膏、工業渣等輔助材料。這些材料在凝固過程中起三個作用：首先，物理吸收水分，降低廢漿中的水分含量，提高干燥物料的質量。其次，其與廢漿中的水發生化學反應，產生各種水化產物，進一步降低了水的含量。最后，這些水化產物有助于廢漿固化后的強度。固化廢漿的強度是固化處理成功與否的重要標志，在這個過程中所使用的水泥量是顯著的，存在一個最低用量滿足有效固化，此外固化壓力影響固化材料的抗壓性能和強度，通常在較高的壓力下產生更強的結果。總的來說，將廢漿固化作為填充材料的做法是廢漿再利用的一種有效和可持續的方法。

在地下深層處理領域，水泥土攪拌樁技術在交通基礎設施建設工程中得到了廣泛應用[3-4]，但由于技術限制和認知因素，容易產生攪拌不均勻、狀體不連續、強度衰減大等問題。此外，水泥土攪拌樁在施工和使用過程中會產生大量的廢漿。“碎石加固樁”等方法可以提高樁的剛度和承載力，有效地控制復合地基沉降，但此種方法需要大量的原材料。

從促進綠色和可持續發展的角度來看，廢液的再利用作為原料的替代品在深樁技術中具有重要意義，該項技術有幾個好處，包括成本效益、環境友好和易于施工。GEP水泥漿樁技術的主要優勢之一是其良好的成本效益，因為與其他廢物管理方法相比，使用土工合成材料和水泥漿相對便宜。此外，GEP水泥漿樁易于施工，大大降低了人工成本，費用較低，廢漿再利用可以減少廢漿儲存所需的土地占用，具有良好的環境和生態效益。

3 結論

該文介紹了土工合成材料應用于碎石樁和水泥漿樁的優化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁，從制備、原理、應用與推廣等方面展開分析。

（1）加筋碎石樁利用土工合成材料包裹碎石樁來提供約束。單樁以脹形破壞模式為主，通常發生在距樁頂D～2D深度處；樁群的破壞模式為脹形和側向變形結合；土工合成材料的使用進一步提高了土體的極限荷載和剛度；隨著加筋套長度和強度的增大，樁的極限承載力和剛度增大；應力集中比較未加筋樁（群）高，且隨沉降量和樁徑的增大而減小。

（2）GEP水泥漿樁復合地基后期承載力有所提高，土工格柵的存在有效地減少了復合地基在變荷載作用下的沉降。土工格柵套管對水泥漿加固樁進行封堵，有利于荷載向下傳遞，抑制樁側脹變形，減輕樁裂，增強樁承載力，具有很好的環保和經濟效益。

該文研究成果可為路基加固樁技術優化及應用提供一定的參考。

參考文獻

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[5]Bian X， Peng WH， Qiu CC ， et al. Model test on bearing capacity of cemented slurry reinforced pile composite foundation[J]. Case Studies in Construction Materials， 2023（4）：524.

收稿日期：2024-06-14

作者簡介：劉月（1993—），女，本科，工程師，研究方向：城市道路及公路設計與研究。