竹筋格柵套筒加筋碎石樁承載力分析

黃 河，羅 正 東，李 檢 保，羅 彪

(1.岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng) 414000； 2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

0 引 言

碎石樁目前常用于水利、道路等工程領(lǐng)域軟弱土地基處治中，但當(dāng)樁周土體強(qiáng)度較低時(shí)，在樁頂荷載作用下碎石樁的樁體極易發(fā)生鼓脹破壞。隨著土工合成材料等加筋材料的推廣應(yīng)用，加筋碎石樁應(yīng)運(yùn)而生，由于土工格柵的環(huán)箍效應(yīng)可有效提高碎石樁承載力，因此將加筋碎石樁應(yīng)用于軟弱土地基的加固處治之中，不僅可大幅提高地基承載力，而且還可保留碎石樁良好的排水性能，加速軟土固結(jié)，是一種新型的軟弱土地基加固處治方法[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的手段對(duì)加筋碎石樁進(jìn)行了研究[3-9]。關(guān)于加筋碎石樁的承載及變形分析，劉杰等[5]對(duì)單樁極限承載力和單樁復(fù)合地基的極限承載力計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)；韓劍飛等[6]對(duì)豎向管式格柵加筋碎石樁可能的破壞模式進(jìn)行了分析，并針對(duì)不同的破壞模式提出了單樁極限承載力的理論計(jì)算方法；喬麗平[7]對(duì)加筋碎石樁單樁極限承載力進(jìn)行了分析；陳建峰等[8]就套筒長(zhǎng)度對(duì)加筋碎石樁復(fù)合地基路堤變形和穩(wěn)定性的影響展開(kāi)了研究；夏博洋等[9]通過(guò)有限元模擬及模型試驗(yàn)對(duì)比分析，研究了筋箍長(zhǎng)度及剛度對(duì)加筋碎石樁復(fù)合地基承載力的影響。前述研究中的加筋材料均為土工格柵，而2013年李廣信[10]提出加筋材料有回歸天然的趨勢(shì)，并列舉了竹材加筋邊坡的實(shí)際工程案例，為此，本文就竹筋格柵套筒加筋軟弱土地基展開(kāi)研究。

竹材因其生長(zhǎng)周期短、能耗低，同時(shí)具有強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)良特性，通常被譽(yù)為“植物鋼鐵”[11]。目前竹材在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[12]，同時(shí)在基坑擋墻[13]及路基工程[14-15]中也開(kāi)始使用，例如黨發(fā)寧等[16]提出竹筋可取代土工格柵作為路堤的加筋材料。

目前竹筋在加筋碎石樁中的應(yīng)用及其受力變形分析還鮮有報(bào)道，有待開(kāi)展大量的理論與實(shí)踐研究?；诖?，以中國(guó)中西部地區(qū)廣泛分布的楠竹為研究對(duì)象，對(duì)竹筋力學(xué)性能、竹筋格柵套筒加筋碎石樁的極限承載力及影響因素等展開(kāi)研究，從而探討竹筋在提高碎石樁承載力方面的可行性，并為類(lèi)似工程提供參考。

1 竹筋格柵力學(xué)性能測(cè)試

為研究竹筋格柵套筒對(duì)碎石樁的效用，首先需對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，參照J(rèn)G/T 199-2007《建筑用竹材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，測(cè)試竹筋的力學(xué)性能是否能滿足規(guī)范對(duì)加筋材料的要求。試驗(yàn)所用的竹材均選自湖南省湘西地區(qū)的楠竹，由于竹筋力學(xué)性能與竹子的年限密切相關(guān)，而且在生長(zhǎng)初期，其強(qiáng)度會(huì)隨著竹齡的增加而逐漸增強(qiáng)，竹齡為3～5 a的竹子其力學(xué)性能會(huì)達(dá)到峰值，并趨于穩(wěn)定，隨后隨著竹齡的增加，其力學(xué)性能將衰減，因此本次試驗(yàn)選用竹齡分別為3，4，5 a，直徑為60～100 mm，壁厚為4～12 mm的竹材。

按照規(guī)范JG/T 199-2007，各齡期試驗(yàn)均制作6個(gè)試件(為防止個(gè)別試件被夾壞，每組實(shí)際制作7個(gè)試件)，試件長(zhǎng)為330 mm，試件中間有效部分寬為4 mm、厚10 mm、長(zhǎng)60 mm，兩端夾具部位寬15 mm，儀器采用美特斯CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，竹筋抗拉試驗(yàn)如圖1所示。當(dāng)試件發(fā)生2%伸長(zhǎng)率時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度為220.9～273.6 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為251.3 MPa。由于工程實(shí)踐中土工格柵的抗拉強(qiáng)度采用拉伸力表示，為便于對(duì)比，參照土工格柵拉伸力的計(jì)算方法，竹筋格柵拉伸力等于竹筋抗拉強(qiáng)度乘以單根竹筋的截面積，然后再乘以1 m寬度范圍內(nèi)竹筋格柵所包含的竹筋根數(shù)。設(shè)竹筋格柵網(wǎng)格的尺寸為10 cm×10 cm，竹筋有效厚度為4 mm，則竹筋格柵的拉伸力為100.52 kN/m；當(dāng)竹筋格柵網(wǎng)格的尺寸為20 cm×20 cm，則竹筋格柵的拉伸力為50.26 kN/m。

圖1 竹筋拉伸試驗(yàn)Fig.1 Tensile test of bamboo bars

將伸長(zhǎng)率為2%時(shí)的竹筋拉伸力值與規(guī)范GB/T 17689-2008《土工合成材料 塑料土工格柵》中型號(hào)為T(mén)GDG80及TGDG120的土工格柵進(jìn)行比對(duì)：竹筋的拉伸力為100.52 kN/m，TGDG80的拉伸力≥26 kN/m，TGDG120的拉伸力≥36 kN/m。竹筋的拉伸力指標(biāo)值能滿足規(guī)范要求，并且其性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)石化土工格柵，因此從力學(xué)性能角度考慮，將其編制成竹筋格柵套筒對(duì)碎石樁進(jìn)行加筋是可行的。

2 竹筋格柵套筒加筋碎石樁承載機(jī)理及破壞模式分析

2.1 加筋碎石樁承載機(jī)理

由于碎石樁樁體都是沒(méi)有膠結(jié)能力的碎石填料，在豎向荷載的作用下，樁體將會(huì)發(fā)生側(cè)向滑移，而樁周土體一般為軟弱的土體，其強(qiáng)度偏低，對(duì)樁體側(cè)向滑移約束力不足，所以在豎向荷載下樁體首先會(huì)發(fā)生側(cè)向變形，并通過(guò)側(cè)向變形來(lái)實(shí)現(xiàn)樁土間的豎向變形協(xié)調(diào)[17]。

碎石樁最常見(jiàn)的破壞模式為鼓脹破壞，竹筋套筒對(duì)碎石樁進(jìn)行圍箍，可使套筒與土體共同提供側(cè)向約束力，從而可使碎石散體填料形成樁體，并可有效避免碎石樁的鼓脹破壞，提高樁體的極限承載力。

2.2 竹筋格柵套筒加筋碎石樁破壞模式

傳統(tǒng)加筋碎石樁的破壞模式主要有3類(lèi)[17]：① 加筋格柵被拉斷破壞；② 加筋格柵套筒下方碎石樁鼓出同時(shí)加筋段樁向下刺入破壞；③ 樁端刺入破壞，如圖2所示。本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)竹筋格柵套筒加筋碎石樁的破壞模式展開(kāi)了研究，其破壞模式也可歸為前述3類(lèi)。圖3為竹筋格柵套筒加筋碎石樁室內(nèi)試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場(chǎng)編織的竹筋格柵套筒。

圖2 加筋碎石樁單樁破壞模式Fig.2 Failure modes of single geosynthetic-encased stone columns

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)裝置及竹筋格柵套筒Fig.3 Indoor test device and bamboo geogrid sleeve

對(duì)于第①種加筋格柵被拉斷的破壞模式，樁體在豎向荷載作用下，樁體填料會(huì)產(chǎn)生向外側(cè)的鼓出變形，從而會(huì)對(duì)格柵套筒產(chǎn)生水平擠壓作用，迫使格柵受拉變形。若格柵受到的拉力超過(guò)格柵自身的抗拉強(qiáng)度，格柵將會(huì)產(chǎn)生較大變形甚至斷裂，從而不能限制碎石樁側(cè)向鼓出變形，進(jìn)而使得加筋段碎石樁發(fā)生鼓出破壞。

第②種破壞模式是在樁頂荷載作用下，格柵受到的拉力始終未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，此時(shí)在碎石樁加筋段的下側(cè)可能會(huì)發(fā)生鼓脹破壞，同時(shí)會(huì)引起碎石樁加筋段的樁體發(fā)生下沉，樁體加筋段會(huì)發(fā)生類(lèi)似于剛性樁基的刺入變形，進(jìn)而導(dǎo)致碎石樁的破壞。對(duì)于第②種破壞模式，實(shí)際工程中可以通過(guò)在整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置竹筋套筒來(lái)防止其發(fā)生。

徽州多山，而山高則皇帝遠(yuǎn)，治理村莊，維護(hù)一方水土的安穩(wěn)，還得依靠鄉(xiāng)間賢達(dá)人士，依據(jù)本地實(shí)情，立禁令，樹(shù)規(guī)矩。

第③種破壞模式是針對(duì)碎石樁的樁端沒(méi)有嵌入硬土層，實(shí)際上，如果發(fā)生整體刺入破壞，則竹筋格柵的強(qiáng)度沒(méi)有充分發(fā)揮，因此不經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于第③種破壞模式，可適當(dāng)增加碎石樁的長(zhǎng)度來(lái)克服。

不同破壞模式下的加筋碎石樁，其承載力計(jì)算方法存在差異，鑒于第①種破壞模式與加筋材料的類(lèi)型有關(guān)，本文重點(diǎn)就第①種破壞模式下碎石樁的極限承載力進(jìn)行探討。

3 竹筋格柵套筒加筋碎石樁極限承載力計(jì)算

在碎石樁的外側(cè)包裹一層竹筋格柵套筒，當(dāng)在樁的頂部施加豎向荷載時(shí)，竹筋格柵會(huì)對(duì)樁體提供一個(gè)大小為σ0的徑向圍壓，該荷載可阻止樁體的側(cè)向變形，當(dāng)達(dá)到彈性極限平衡狀態(tài)時(shí)，竹筋格柵套筒提供的單樁豎直方向極限承載力大小為ΔP=σ0tan2(45°+φp/2)(φp為樁體填充材料內(nèi)摩擦角)的荷載[5]，取竹筋格柵套筒加筋碎石樁的一個(gè)半圓進(jìn)行受力分析，受力如圖4所示，圖中T為竹筋格柵的拉伸力(kN/m)，R為碎石樁的半徑(m)。

圖4 竹筋格柵套筒的受力示意Fig.4 Stress diagram of bamboo geogrid sleeve

參照文獻(xiàn)[7]可得σ0沿Y軸方向上的合力FR為

(1)

由∑Y=0可得：2Rσ0-2T=0，則σ0=T/R。因此竹材加筋增加的極限承載力ΔP為

(2)

設(shè)未加筋時(shí)碎石樁的單樁極限承載力為P0，P0的大小可按式(3)進(jìn)行計(jì)算[5]：

(3)

竹筋格柵套筒加筋碎石樁單樁極限承載力為

(4)

4 竹筋格柵套筒加筋碎石樁承載力影響因素分析

試驗(yàn)場(chǎng)地采用碎石樁進(jìn)行加固，樁基直徑為800 mm，樁長(zhǎng)為7.5 m，相關(guān)土體及碎石樁的力學(xué)參數(shù)為：γ=17 kN/m3，cp=8.2 kPa，φp=43°，cs=44.5 kPa，φs=7.5°[5]。采用式(3)求得未加筋時(shí)單樁極限承載力P0=683.4 kPa，現(xiàn)在碎石樁外側(cè)設(shè)置一層竹筋格柵套筒，竹筋格柵的拉伸力分別取50，60，70，80，90 kN/m，通過(guò)式(2)和式(4)計(jì)算得到加筋后單樁極限承載力提高值ΔP、極限承載力值P及承載力提高比例，如表1所列。

表1 單樁極限承載力隨竹筋格柵拉伸力變化值Tab.1 Variation of ultimate bearing capacity of single pile with the tensile capacity of bamboo geogrid

從表1可以發(fā)現(xiàn)，單樁極限承載力的增加值ΔP隨竹筋拉伸力的增加而逐漸提高，加筋后碎石樁的極限承載力P也相應(yīng)提高。當(dāng)竹筋的拉伸力T=50 kN/m時(shí)，極限承載力P由未加筋時(shí)的683.4 kPa，提高到加筋后的1 344.6 kPa，提高了661.2 kPa，提高比例為96.8%；當(dāng)竹筋拉伸力提高到90 kN/m時(shí)，極限承載力P從未加筋的683.4 kPa，提高到加筋后的1 873.4 kPa，提高了1 190.0 kPa，提高比例為174.1%。因此，提高碎石樁加筋材料的拉伸力，可以顯著增大加筋碎石樁的極限承載力。前文已驗(yàn)證了竹筋格柵的拉伸力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)石化土工格柵，采用竹筋格柵加筋碎石樁能比土工格柵取得更理想的加筋效果。

若取竹筋格柵的拉伸力為50 kN/m，碎石樁樁徑分別取500，600，700，800，900，1 000 mm，其他條件不變，則P0、ΔP、P及承載力提高比例值如表2所列。從表2可知：其他條件不變，隨著樁徑擴(kuò)大，單樁未加筋時(shí)的極限承載力P0將逐漸提高，而由筋材增加的極限承載力ΔP逐漸減少，加筋使極限承載力提高值由樁徑為500 mm時(shí)的1 057.9 kPa降低到樁徑為1 000 mm時(shí)的528.9 kPa，提高比例由164.2%降到74.3%，樁徑擴(kuò)大后加筋碎石樁的極限承載力P由1 702.1 kPa逐漸降低到1 240.3 kPa。因此，增大樁徑并不能提高加筋碎石樁極限承載力，實(shí)際工程中應(yīng)合理選取碎石樁的樁徑。

表2 單樁極限承載力隨樁徑變化值Tab.2 Variation of ultimate bearing capacity of single pile with pile diameter

取竹筋格柵的拉伸力為50 kN/m，碎石樁的樁徑為500 mm，碎石樁填料內(nèi)摩擦角φp分別為30°，35°，40°，45°，不改變其他條件，則P0、ΔP、P值如表3所列。從表3可以發(fā)現(xiàn)：隨著內(nèi)摩擦角的增大，未加筋碎石樁極限承載力P0逐漸提高。同時(shí)在竹筋格柵拉伸力不變的情況下，隨著碎石樁填料內(nèi)摩擦角的增大，加筋所增加的承載力ΔP也顯著增大，加筋碎石樁極限承載力P由963.9 kPa快速提高到1 876.7 kPa。因此在實(shí)際施工中，可考慮通過(guò)提高填料的內(nèi)摩擦角來(lái)提高加筋碎石樁的極限承載力。

通過(guò)前述分析可以發(fā)現(xiàn)：由于竹筋格柵的拉伸力高于土工格柵，竹筋格柵加筋后碎石樁極限承載力提高非常明顯，在軟弱土地基處治中，相對(duì)土工格柵加筋，在提高極限承載力值一致的情況下，可減少碎石樁的數(shù)量或樁徑，從而可減低工程造價(jià)并提高施工效率。

表3 單樁極限承載力隨填料內(nèi)摩擦角變化值Tab.3 Variation of ultimate bearing capacity of single pile with internal friction angle of filler

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

將竹筋應(yīng)用于實(shí)際工程面臨的最大問(wèn)題為耐久性問(wèn)題，目前的研究成果可歸為兩類(lèi)：① 采用化學(xué)藥劑對(duì)竹筋進(jìn)行防水、防腐處理，延長(zhǎng)材料的應(yīng)用年限，如文獻(xiàn)[18]中的竹材加筋邊坡已使用十余年，但竹筋仍保持完好，關(guān)于竹材的防腐處理及在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，本文作者也開(kāi)展了相關(guān)的研究，并授權(quán)了一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利(ZL.201210154495.4)；② 基于固結(jié)理論，竹材老化腐蝕的過(guò)程中軟弱土也逐漸固結(jié)穩(wěn)定，當(dāng)竹材失效時(shí)，軟弱土也已完成固結(jié)[16]，此時(shí)土體的承載力已達(dá)規(guī)范要求。

竹筋格柵加筋碎石樁綜合考慮了前述兩種效用：① 對(duì)竹筋采用藥劑處理后，可有效延長(zhǎng)其使用壽命；② 利用固結(jié)理論，軟弱路基在碎石樁排水的作用下逐漸固結(jié)，其自身承載力逐漸提高，竹筋格柵老化的過(guò)程也是土體固結(jié)穩(wěn)定的過(guò)程，當(dāng)竹筋老化時(shí)軟弱土已達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。

5.2 竹筋的經(jīng)濟(jì)性分析

中國(guó)的竹材資源豐富，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。文華等[19]分別對(duì)竹筋格柵及土工格柵加筋土路基的造價(jià)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)竹筋格柵可節(jié)約2萬(wàn)元投資。將竹筋格柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土工格柵，可就地取材，對(duì)應(yīng)急處置，尤其是洪水、地震等不可抗力因素導(dǎo)致的道路破損等應(yīng)急搶險(xiǎn)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論與建議

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步及政策推動(dòng)，全生命周期均可與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共存的竹筋或竹材結(jié)構(gòu)，將成為未來(lái)發(fā)展的重要方向之一，本文針對(duì)竹筋在處治軟弱地基領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)展研究，主要得到以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)室內(nèi)力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)于湘西地區(qū)的楠竹，其平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到了251.3 MPa，當(dāng)格柵網(wǎng)格尺寸為10 cm×10 cm，伸長(zhǎng)率為2%時(shí)，其拉伸力為100.52 kN/m，力學(xué)性能滿足規(guī)范對(duì)加筋材料的要求，且優(yōu)于目前工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的石化加筋材料。

(2) 竹材加筋碎石樁的極限承載力隨著竹筋材料拉伸力的增加及樁基填料內(nèi)摩擦角的增大而顯著提高，相對(duì)土工格柵加筋，在提高極限承載力值一致的情況下，可通過(guò)減少碎石樁的數(shù)量或減低碎石樁的樁徑來(lái)降低工程造價(jià)并提高施工效率。

(3) 經(jīng)過(guò)工程處理后的竹筋能滿足巖土工程耐久性要求，且造價(jià)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，可在山區(qū)水利、道路等工程領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。