深厚軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基土工格柵變形分析

王 寒 冰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

?

深厚軟土樁網(wǎng)復(fù)合地基土工格柵變形分析

王 寒 冰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

通過監(jiān)測(cè)廣東潮汕車站深厚軟土地基沉降斷面，建立了全斷面有限元數(shù)值模型，分析了土工格柵在上部荷載作用下的拉力變化與變形大小，結(jié)果表明，土工格柵豎向位移沿整個(gè)路堤呈“盆形”分布，隨著土工格柵剛度的增加，格柵拉力逐漸增大，拉力在樁帽邊緣處最大，樁間次之，樁帽中心處土工格柵拉力最小；粗顆粒的墊層材料可以限制土工格柵的變形，進(jìn)而均勻土工格柵拉力。

樁網(wǎng)復(fù)合地基，土工格柵，墊層，拉力

樁網(wǎng)復(fù)合地基是由樁、網(wǎng)、土三者協(xié)同作用、共同承擔(dān)荷載的人工地基[1-4]。土工格柵作為一種可以調(diào)整荷載、提高地基承載力、減小沉降的方法，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Brand[1]研究分析了土工格柵加筋墊層分散荷載效率。Pham[3]通過數(shù)值分析了土工格柵的荷載傳遞效率與不均勻沉降成比例。饒為國(guó)[4]分析了土工格柵的拉力作用及其發(fā)揮程度。本文針對(duì)采用有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)深厚軟土層建立平面應(yīng)變等效模型，系統(tǒng)分析了土工格柵在上部荷載作用下的拉力變化，變形大小等，為樁網(wǎng)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

1 土工格柵變形分析

1.1 土工格柵的豎向位移

通過有限元數(shù)值模擬，可以得到不同填筑高度，土工格柵隨地基變形產(chǎn)生的豎向位移以及土工格柵拉力沿整個(gè)路堤的橫向分布曲線，如圖1所示。土工格柵在上部荷載的作用下，沿路基寬度變形中間大兩邊小。樁帽與樁間土剛度不同，導(dǎo)致位移變形呈臺(tái)階狀變化，樁帽可以限制樁頂上刺入，同時(shí)發(fā)揮其兜提作用減少了填料顆粒向樁間的過度擠入，使樁帽分擔(dān)大部分的荷載，減少樁土的相對(duì)位移。

1.2 樁帽及樁間距對(duì)格柵變形的影響

由圖2可以看到，隨著樁帽尺寸的增大，格柵的變形和拉力都逐漸減小，且變化幅度較為均勻。因此分析認(rèn)為，樁帽可以起到均勻土工格柵拉力與變形的作用。

圖3為不同樁間距下土工格柵的豎向位移分布曲線?？梢钥吹?，當(dāng)樁間距s=2.0 m時(shí)，土工格柵的豎向位移最大值及豎向位移差為32.79 cm和1.6 mm，當(dāng)樁間距s=4.0 m時(shí)，土工格柵的豎向位移最大值及豎向位移差為41.87 cm和46.4 mm。樁間距增大，土工格柵在樁頂及樁間處的豎向位移差也隨之增大。

2 土工格柵受力分析

2.1 填土荷載作用下土工格柵拉力分布

由圖4可以看到路堤填筑高度越大，土工格柵拉力也越大。當(dāng)填筑高度H=0.7 m時(shí)，土工格柵的拉力最大值只有0.65 kN/m，隨著填筑高度的增加穩(wěn)定增長(zhǎng)，當(dāng)路堤填筑高度達(dá)到6.2 m并經(jīng)過一年的放置期后，土工格柵的拉力達(dá)到穩(wěn)定值18.17 kN/m。土工格柵的拉力沿整個(gè)路堤橫向呈“波狀”起伏分布。隨著路堤填筑高度的增加，路堤邊坡坡肩逐漸向中心處移動(dòng)，土工格柵拉力的峰值也隨之逐漸向路堤中心移動(dòng)，分析可知，土工格柵拉力在路基邊坡坡肩處最大，路基中心處次之，路基邊坡坡腳處為零。結(jié)合圖5可知，由于樁土相對(duì)位移，造成褥墊層填料顆粒的滾動(dòng)調(diào)整，土工格柵在一方面會(huì)限制樁土相對(duì)位移造成的樁帽的上刺入變形，進(jìn)而自身也會(huì)產(chǎn)生豎向差異變形，在填土荷載的作用下，土工格柵在樁間處會(huì)呈懸索狀下凹，兩側(cè)樁帽邊緣作為約束端會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，分析也表明，在樁帽邊緣附近土工格柵拉力最大，樁間處拉力次之，樁帽中心處拉力最小。

2.2 剛度及墊層材料對(duì)土工格柵拉力分布的影響

從圖6可以看到，隨著格柵剛度的增加，格柵拉力逐漸增大，拉力在樁帽邊緣處最大，樁間次之，樁帽中心處土工格柵拉力最小，且隨格柵剛度的提高，樁帽中心處土工格柵拉力開始時(shí)增幅較小，往后逐漸變大，樁帽邊緣及樁間處開始時(shí)增幅較大，往后逐漸減小。

分析圖7可知，隨著墊層內(nèi)摩擦角的增大，樁帽中心、樁帽邊緣以及樁間處格柵拉力都有所降低，表明墊層厚度較大時(shí)，使用粗顆粒的墊層材料可以限制土工格柵的變形，進(jìn)而均勻土工格柵拉力，效果明顯。因此在進(jìn)行加筋墊層設(shè)計(jì)時(shí)，配合一定的墊層厚度來(lái)選擇合適的墊層材料，對(duì)于土工格柵性能的發(fā)揮很重要。

2.3 樁帽及樁間距對(duì)土工格柵拉力分布的影響

圖8為路堤中心處樁帽上土工格柵拉力的分布曲線。隨著樁帽尺寸的增大，樁帽邊緣處以及樁帽中心處格柵拉力都逐漸減小，樁間處格柵拉力卻逐漸增大，且變化幅度較為均勻，可知樁帽尺寸較大時(shí)，土工格柵拉力的分布趨勢(shì)為，樁帽邊緣處最大，樁間次之，樁帽中心處最小。

由圖9可以看到，隨著樁間距的增大，土工格柵應(yīng)變也逐漸增大，但是即使樁間距為4.0 m時(shí)，土工格柵的最大應(yīng)變也只有1.26%，因此樁網(wǎng)復(fù)合地基中土工格柵的變形十分有限。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合分析可知，土工格柵在上部荷載的作用下，沿路基寬度變形中間大兩邊小，格柵的拉力沿路基寬度方向呈“波狀”起伏分布，在路基邊坡坡肩處最大，路基中心處次之，路基邊坡坡腳處為零。土工格柵的拉力與其抗拉剛度緊密相關(guān)，隨著土工格柵剛度的增加，格柵拉力逐漸增大，拉力在樁帽邊緣處最大，樁間次之，樁帽中心處土工格柵拉力最小。粗顆粒的墊層材料可以限制土工格柵的變形，進(jìn)而均勻土工格柵拉力，效果明顯。管樁頂部設(shè)置樁帽可以起到均勻土工格柵拉力與變形的作用，同時(shí)選擇合適的樁間距對(duì)土工格柵性能的發(fā)揮很重要。

[1] Low B.K.，Tang S.K., Choa V.. Arching in piled embankment[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1994，120(11)：1917-1938.

[2] Gabr M.A，Han J. Numerical analysis of geosynthetic-reinforeed and pile-supported earth platforms over soft soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2002(1)：44-53.

[3] Pham H.T.V.，Suleiman M.T.，WHITE D.J.. Numerical analysis of geosynthetic：rammed aggregate pier supported embankments[A].YEGIAN M K, K AVAZANJ IAN E. Proceedings of Geo-Trans 2004 Conference：Geotechnical Special Publication No.126.Los Angeles：ASCE[C].2004：657-664.

[4] 饒為國(guó).樁—網(wǎng)復(fù)合地基原理及實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[5] 饒為國(guó).樁—網(wǎng)復(fù)合地基沉降機(jī)理及設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：北方交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.

[6] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[7] 龔曉南.復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[8] 饒為國(guó)，趙成剛.復(fù)合地基工后沉降的薄板變形模擬[J]．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19(2)：133-136.

[9] 徐林榮，牛建東，呂大偉.軟基路堤樁—網(wǎng)復(fù)合地基試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(10)：2149-2160.

[10] 周 鏡，葉陽(yáng)升，蔡德鉤.國(guó)外加筋墊層樁支承路基計(jì)算方法分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(2)：1-6.

[11] 費(fèi) 康，劉漢龍.樁承式加筋路堤設(shè)計(jì)理論研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2008，28(4)：89-94.

Analysis on geogrid deformation of deep-soft soil pile-net composite foundation

Wang Hanbing

(ChinaRailway4thSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430063,China)

Through monitoring deep-soft soil foundation settlement section of Chaoshan station in Guangdong province, the paper establishes whole-section finite element numerical model, analyzes the pulling alteration and deformation of geogrid under upper loading action. Results show that: vertical displacement of geogrid is basin-style distribution along the embankment; With the geogrid rigidity increasing, the geogrid pulling force is gradually increasing; the maximum pulling force is at the pile cap; the medium pulling force is between piles; the minimum pulling force is at the pile cap center; coarse cushion material can limit the geogrid deformation and balance geogrid pulling force as well.

pile-net composite foundation, geogrid, cushion course, pulling force

1009-6825(2017)10-0081-03

2017-01-22

王寒冰(1986- )，男，工程師

TU441.6

A