竹材加筋碎石樁可行性分析

尹鴻達(dá)，黃河，李檢保，尹誠

（岳陽市公路橋梁基建總公司）

1 加筋碎石樁應(yīng)用概況

在軟土地基的處置中，碎石樁的應(yīng)用較為廣泛，但當(dāng)軟土強(qiáng)度較低時(shí)，在上部荷載作用下碎石樁的上部通常會(huì)發(fā)生鼓脹破壞，隨著土工合成材料作為加筋材料的推廣應(yīng)用，加筋碎石樁在軟土地基處置中應(yīng)運(yùn)而生。加筋碎石樁是在樁體的外側(cè)包裹一層格柵套筒作為加筋層，從而限制碎石樁的側(cè)向變形來達(dá)到提高樁基承載力的目的，軟弱土地基中應(yīng)用加筋碎石樁不僅可給軟弱土提供良好的排水通道，加速軟基的排水固結(jié)，而且還能提高地基承載力，是一種新型的軟弱土地基加固方法[1]。

目前在碎石樁加筋中常用的土工合成材料是不可再生的化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)將對(duì)環(huán)境造成污染，且成本相對(duì)較高，導(dǎo)致工程造價(jià)增加。目前人類的發(fā)展更強(qiáng)調(diào)人與自然的和諧相處，巖土工程領(lǐng)域也一直在探索確保工程質(zhì)量及耐久性的前提下，用綠色環(huán)保材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化工加筋材料；2013 年李廣信教授[2]提出加筋材料有回歸天然的趨勢，并列舉了四川某操場邊坡使用竹材加筋的工程案例。

2 竹筋在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，我國越來越重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)并大力提倡低碳建筑，同時(shí)也出臺(tái)了一系列推進(jìn)環(huán)保材料推廣應(yīng)用的政策。在此背景下，從選材、施工使用直到廢棄全生命周期均可實(shí)現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹材成為了研究熱點(diǎn)，合理并適度利用竹材符合國家“綠色化”發(fā)展需要，具有重要的理論與工程實(shí)際意義。

我國竹類資源非常的豐富，竹子種植面積及產(chǎn)量均居世界首位，竹材與常規(guī)建材相比，其具有生長周期短，能耗低，堪稱天然綠色的建筑材料，同時(shí)具有強(qiáng)度高，塑性好等優(yōu)良的力學(xué)及物理特征，被土木工程師譽(yù)為“植物鋼鐵”。竹筋因其優(yōu)良的力學(xué)特征及環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，已在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]，目前，在一些基坑擋墻及路基工程中也開始得以使用，黨發(fā)寧等[4]提出竹筋格柵能取代土工格柵作為路堤加筋材料。

3 竹筋力學(xué)性能

為研究竹筋格柵筋材對(duì)碎石樁的效用，首先需對(duì)竹材的力學(xué)性能進(jìn)行測試，測試其強(qiáng)度是否能滿足規(guī)范對(duì)筋材力學(xué)性能要求，竹筋力學(xué)性能測試參照《建筑用竹材物理學(xué)性能試驗(yàn)方法》（JG/T199-2007）執(zhí)行，試驗(yàn)選用竹齡分別為3 年，直徑為60mm ～100mm，壁厚為4mm ～12mm 的竹子。

按照規(guī)范JG/T199-2007 制備試樣，試驗(yàn)儀器采用美特斯CMT5105 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)試件發(fā)生2%伸長率時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度為220.9MPa ～273.6MPa，平均抗拉強(qiáng)度為251.3MPa；試驗(yàn)得到竹筋不同部位的抗彎強(qiáng)度值為112.2MPa ～123.05MPa；試驗(yàn)測得竹筋的抗剪強(qiáng)度在7.9MPa ～14.5MPa之間，平均抗剪強(qiáng)度值為11.0MPa。將伸長率為2%時(shí)的竹筋拉伸力值與規(guī)范GB/T17689-2008 中 型 號(hào) 為TGD80 及TGDG120 的土工格柵進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，竹筋的拉伸力指標(biāo)值不僅能滿足規(guī)范要求，而且有較高抗彎及抗剪強(qiáng)度，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)筋材，因此從力學(xué)性能角度考慮，竹筋格柵套筒加筋碎石樁是可行的。

4 竹材加筋碎石樁承載機(jī)理

在荷載作用下，碎石樁周圍的土體均處于三向應(yīng)力狀態(tài)，由于碎石樁樁體都是沒有膠結(jié)能力的碎石填料，在豎向荷載作用下將會(huì)發(fā)生側(cè)向滑移，而樁周土體一般為軟弱土體，其強(qiáng)度較低，對(duì)碎石樁側(cè)向的滑移約束力不夠，所以樁體在豎向荷載下首先發(fā)生側(cè)向變形，并通過側(cè)向變形實(shí)現(xiàn)樁土間豎向變形協(xié)調(diào)。

鼓脹變形破壞是碎石樁最常見的破壞模式，設(shè)置竹筋格柵套筒對(duì)碎石樁進(jìn)行圍箍，可使格柵與土共同提供側(cè)向約束力，從而使碎石散體填料等能成為樁體。由于竹筋格柵筋材的抗拉、抗彎強(qiáng)度較大，可有效避免碎石樁的鼓脹破壞，提高其極限承載力。

5 竹筋格柵耐久性及經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 竹筋的耐久性分析

竹筋作為天然生物材料，將其在工程中應(yīng)用，面臨的最大問題為耐久性問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了相關(guān)的研究，目前的研究成果可以歸為兩類。

①基于固結(jié)理論，竹筋老化的過程也是軟弱土固結(jié)穩(wěn)定的過程，當(dāng)竹筋老化時(shí)，土體也已固結(jié)穩(wěn)定，如黨發(fā)寧等[4]利用竹材加筋軟土路堤時(shí)，發(fā)現(xiàn)在竹筋完全老化時(shí)，土體的安全性已達(dá)規(guī)范要求；

②通過化學(xué)藥劑對(duì)竹筋進(jìn)行防腐、防蟲、防水等處理[5]，延長材料使用期限。竹筋格柵加筋碎石樁可綜合考慮以上兩種功效。

5.2 竹筋的經(jīng)濟(jì)性分析

我國的竹材資源豐富，總面積達(dá)到了538.10 萬hm2，尤其是中西部山區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，運(yùn)輸條件受限，但卻廣泛分布著竹材。竹材的造價(jià)非常低，其綜合成本約為1.8 元/m2，而一般的石化土工格柵其綜合成本約為10 元/m2。文華[6]等將長為50m，寬為3.5m 的路基分別采用石化土工格柵加筋及竹筋格柵加筋的造價(jià)進(jìn)行了比對(duì)，竹筋格柵可節(jié)省約2 萬元投資。

將竹材作為土工加筋材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石化土工格柵，可以就地取材，施工方便，同時(shí)他不受工廠生產(chǎn)、道路運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)等外界因素限制，對(duì)應(yīng)急處置，尤其是地震、洪水等不可抗力因素導(dǎo)致的道路破損等應(yīng)急搶險(xiǎn)具有顯著優(yōu)勢，同時(shí)還可為中西部山區(qū)的精準(zhǔn)扶貧提供一條產(chǎn)業(yè)扶貧之路，將天然綠色環(huán)保竹材替代化工筋材具有長遠(yuǎn)的意義。

6 結(jié)語

竹筋的力學(xué)性能滿足規(guī)范對(duì)加筋材料的要求值，且優(yōu)于目前工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的石化加筋材料，實(shí)際工程中竹筋能滿足巖土工程耐久性要求，且造價(jià)遠(yuǎn)低于石化土工合成材料，符合土木工程朝著“綠色化”方向發(fā)展的要求，具有重要的理論與工程實(shí)際意義。