竹筋格柵套筒碎石樁復(fù)合地基承載變形特性研究

李檢保 羅正東 謝測坤 賀敏 梁斌

摘要：

為響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略，促進(jìn)水利及建筑業(yè)朝著綠色、低碳、可持續(xù)性方向發(fā)展，探索天然竹筋材料替代傳統(tǒng)土工合成材料應(yīng)用于軟弱土地基的加固領(lǐng)域具有重要意義。通過室內(nèi)模型試驗，對竹材力學(xué)性能、竹筋格柵套筒加筋碎石樁復(fù)合地基的荷載-沉降變化規(guī)律、樁土應(yīng)力分布規(guī)律、樁體應(yīng)力傳遞規(guī)律、樁體破壞模式進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：竹筋力學(xué)性能不僅能滿足規(guī)范對加筋材料的要求，還優(yōu)于傳統(tǒng)土工格柵；竹筋格柵全長加筋碎石樁對復(fù)合地基承載力的影響較半長加筋提升效果更為明顯；竹筋格柵套筒可使樁土應(yīng)力比顯著增大，在一定程度上提高了碎石樁的荷載傳遞能力；此外，竹筋全長加筋碎石樁表現(xiàn)為摩擦端承樁的承載特性，而半長加筋碎石樁表現(xiàn)為端承摩擦樁的特性。研究成果可為竹筋格柵套筒加筋碎石樁的設(shè)計及施工提供借鑒和參考。

關(guān) 鍵 詞：

加筋碎石樁； 竹筋格柵； 復(fù)合地基； 樁土應(yīng)力比； 破壞模式

中圖法分類號： TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.019

0 引 言

碎石樁的承載力很大程度上取決于樁周土體提供的側(cè)向約束力。當(dāng)采用碎石樁復(fù)合地基處治水利、公路等工程領(lǐng)域的軟弱土?xí)r［1-3］，在豎向荷載作用下樁體易因側(cè)向約束力不足而發(fā)生鼓脹變形，導(dǎo)致復(fù)合地基破壞失效，從而危及上部結(jié)構(gòu)的安全。為此，有學(xué)者提出采用土工合成材料對碎石樁進(jìn)行包裹約束［4-6］，利用其抗拉性能提高樁體的側(cè)向約束力，在保留碎石樁摩擦特性及加速土體排水固結(jié)的基礎(chǔ)上，限制樁體鼓脹變形，從而大幅提高碎石樁的剛度及承載力［7-11］。

然而，土工合成材料是以高分子聚合物為原料制作而成，其生產(chǎn)成本較高，且生產(chǎn)過程會產(chǎn)生有害的氣體和粉塵［12］。當(dāng)前人類社會倡導(dǎo)人與自然和諧發(fā)展，中國也提出了“雙碳”及“綠色化”的發(fā)展目標(biāo)。因此，在確保工程質(zhì)量的前提下，探索采用天然環(huán)保材料取代傳統(tǒng)的土工合成材料用于軟基加固領(lǐng)域，具有重要的理論及環(huán)保意義。

竹材是一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的綠色加筋材料。與土工合成材料相比，它具有更為理想的抗拉性能［13］。目前采用以竹材為原料制作竹筋格柵作為水平向加筋材料已在土木工程領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益［14-18］。但將竹筋格柵套筒作為豎向加筋體，在軟弱土加固處置中進(jìn)行應(yīng)用還鮮見報道。

鑒于此，本文以竹筋格柵套筒加筋碎石樁復(fù)合地基為研究對象，從荷載-沉降變化規(guī)律、樁土應(yīng)力分布規(guī)律、樁體應(yīng)力傳遞規(guī)律以及樁體破壞模式方面展開研究，并與不加筋及土工格柵套筒加筋碎石樁進(jìn)行對比，進(jìn)而探討竹筋格柵套筒在提高碎石樁承載力、減少復(fù)合地基沉降方面的可行性，為軟弱土地基的加固處治提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計及布置

1.1 試驗概況

試驗?zāi)Ｐ拖淙鐖D1所示，尺寸為1500 mm（長）×1500 mm（寬）×800 mm（高），長度與寬度均大于荷載板尺寸（D=240 mm）的6倍，滿足模型試驗邊界條件的要求。模型箱側(cè)面及底面由10 mm厚鋼板焊接而成，滿足試驗對模型箱剛度的要求。

地基模型分為兩層，下層為600 mm的軟弱土層，上層為20 mm厚的砂墊層。碎石樁直徑d取80 mm，樁長取600 mm，穿過軟弱土層直接支承于模型箱的底部。荷載板直徑D為240 mm，位于砂墊層表面，荷載板-碎石樁-模型箱底板三者中心共線，試驗布置如圖2所示。

1.2 試驗設(shè)備及加載系統(tǒng)

試驗加載裝置為杭州邦威生產(chǎn)的平面結(jié)構(gòu)加載試驗系統(tǒng)，如圖3所示，主要由回字形自反力加載框架、液壓千斤頂、球鉸、稱重傳感器及荷載板組成。

模型試驗過程中，荷載板的荷載值與位移值通過稱重傳感器及位移傳感器采集，同時在荷載板表面布置百分表對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對；樁體應(yīng)力值、土壓力值通過放置電阻應(yīng)變式微型土壓力盒進(jìn)行采集；所有數(shù)據(jù)均通過型號為DH3816Y的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析儀輸出。

1.3 試驗材料

試驗所用地基軟土取自東洞庭湖河漫灘，整體呈黃黑色，通過土工測試得到其各項物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，碎石樁樁體材料粒徑范圍應(yīng)控制在20～150 mm。本文綜合考慮規(guī)范要求及相似理論，選用粒徑為5～20 mm的灰?guī)r角礫，其最大、最小干重度分別為18.1，15.5 kN/m3，成樁后相對密實(shí)度為0.5，重度為16.7 kN/m3。砂料采用河砂，其最大、最小干重度分別為16.5，14.2 kN/m3，成樁后相對密實(shí)度為0.6，重度為15.5 kN/m3。樁體碎石材料及褥墊層砂料集配曲線如圖4所示。

將竹筋用作碎石樁加筋材料，首先其力學(xué)性能需滿足規(guī)范對其強(qiáng)度的要求，為此對竹筋的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試。試件的制作及試驗程序的設(shè)計參照J(rèn)G/T199-2007《建筑用竹材物理學(xué)性能試驗方法》規(guī)范執(zhí)行。試驗所用楠竹竹材的齡期為3 a，直徑50 mm以上，竹壁厚度5～12 mm，竹筋通過竹材加工而來，試驗測得伸長率2%時竹筋的抗拉強(qiáng)度為73.2 kN/m，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于工程中常用的TGSG5045及TGSG5050的土工格柵，強(qiáng)度對比如表2所列。

已有研究表明［16］，當(dāng)加筋套筒的網(wǎng)格尺寸小于碎石粒徑時，對樁體鼓脹變形的限制作用和承載力的提升作用最為顯著。此時，在荷載作用下豎向套筒可有效限制碎石從網(wǎng)孔中漏出，并在二者之間產(chǎn)生一定的機(jī)械咬合力?；诖耍疚膶⒓咏钐淄簿W(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm。同時，綜合考慮相似原理及加筋效果，選用單肋寬度為8 mm、厚為1 mm的竹筋。同樣基于相似原理，采用相同網(wǎng)格尺寸為4 mm×4 mm的塑料格網(wǎng)材料進(jìn)行替換，拉伸強(qiáng)度T=6.5 kN/m。竹筋格柵套筒由竹筋通過設(shè)計裁剪、彎曲定形、扎絲綁扎編織而成，竹筋格柵套筒如圖5所示。

1.4 試驗過程

（1） 將體積較大的土塊搗碎并清理土中雜物，隨后將其攤鋪均勻并適度風(fēng)干，使土體含水率均勻，與目標(biāo)含水率（44%）對比并確定需添加的水量，使用灑水壺均勻噴灑并攪拌均勻，最后用塑料薄膜密封保存，防止水分蒸發(fā)，將填筑土含水率調(diào)控在44%左右。

（2） 地基土填筑深度為600 mm，采用分層填土法進(jìn)行施工，每層填筑高度為100 mm，各層填筑完后測量土體表面含水率并及時補(bǔ)充水分。填土過程中，人工壓實(shí)擠密填土，確保每層填筑均勻。根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測出填筑土濕密度為ρw=1.99 g/cm3，以此計算出控制土干密度為ρd=ρw/（1+0.01w）=1 381.9 kg/m3。最后將地基土靜置一段時間（48 h）以減小擾動對土體的影響，盡可能使其滿足正常固結(jié)條件。

（3） 碎石樁施工過程模擬實(shí)際工程中采用的沉管施工方法。軟弱土填筑完成后，首先在設(shè)計樁位打入長度為60 cm、直徑為8 cm的PVC管，形成樁孔。利用自制的取土器清除樁孔內(nèi)部土體，并將加筋套筒包裹在PVC管外壁。

（4） 分批次向PVC管內(nèi)灌入碎石制作樁體，每次灌入碎石量約為樁體高度的1/6，同時利用木棍振搗密實(shí)。最后，緩慢向外拔出PVC管，加筋套筒由于內(nèi)部碎石顆粒及外部軟土的摩擦作用，與PVC管脫離，從而完成碎石樁施工。施工過程需觀察樁體的垂直度，確保成樁質(zhì)量。

（5） 碎石樁施工完后，在其表面鋪設(shè)2 cm厚的褥墊層，并在軟土與褥墊層間鋪設(shè)一層無加筋作用的無紡?fù)凉げ迹奖愫罄m(xù)對碎石樁破壞形態(tài)的觀測。

（6） 采用液壓千斤頂對模型施加豎向荷載，實(shí)驗過程中逐級等量的加大荷載，并按規(guī)范確定試驗終止條件［19］。

1.5 試驗分組

模型試驗共分5組，試驗分組如表3所列。其中，4組為碎石樁復(fù)合地基單樁載荷試驗，分別為不加筋、土工格柵加筋、竹筋格柵全長加筋、竹筋格柵半長加筋4種碎石樁試驗方式；一組為未經(jīng)過處理的軟基載荷試驗。試驗1作為其他試驗的對比組，用以比較不同處治方式對軟基加固的效果。試驗2、3、4分別為不加筋、竹筋格柵加筋、土工格柵加筋3種加筋方式，用于探討不同加筋材料的影響。試驗2、3、5選取加筋長度為0、全長、半長進(jìn)行對比試驗，用于探討竹筋格柵最佳加筋長度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 承載特性分析

通過載荷試驗得到不同工況下的單樁復(fù)合地基荷載-沉降（P-S）曲線如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，未處理的軟弱土地基在荷載作用下其沉降急劇增大，加載過程基本沒有彈性階段，當(dāng)荷載達(dá)到10 kPa時，其P-S曲線已陡降。這表明未經(jīng)過處理的天然軟弱土地基在上部荷載作用下，通常會產(chǎn)生較大程度的塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致地基快速的失穩(wěn)破壞。采用未加筋碎石樁對軟弱土地基進(jìn)行置換處理后，承載力有所提高，在荷載接近25 kPa時P-S曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。采用竹筋格柵套筒半長加筋的碎石樁復(fù)合地承載力略大于未加筋碎石樁復(fù)合地基，在荷載接近30 kPa時P-S 曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。土工格柵套筒加筋碎石樁復(fù)合地基P-S 曲線較為平緩，當(dāng)荷載接近70 kPa時發(fā)生破壞。竹筋格柵全長加筋的P-S 曲線在100 kPa左右出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時沉降僅為20 mm，在這之后P-S曲線仍呈線性變化直至加載結(jié)束。

為進(jìn)一步量化對比不同工況地基承載力的大小，在P-S曲線上選取沉降量為40 mm時對應(yīng)的荷載大小作為地基的極限承載力［20］，如表4所列。

由表4可以發(fā)現(xiàn)：通過碎石樁加固處理后的復(fù)合地基極限承載力均有所提高，其中未加筋碎石樁處理后的復(fù)合地基承載力為36 kPa，而采用竹筋格柵全長加筋后的復(fù)合地基其承載力為144 kPa，提高幅度達(dá)到了300%，其效果優(yōu)于土工格柵全長加筋。同時可發(fā)現(xiàn)，半長加筋對碎石樁承載力提升作用有限。這表明相比于傳統(tǒng)土工格柵，竹筋格柵對碎石樁加固效果更好，處理后的地基承載力顯著增大，沉降得到有效控制，試驗驗證了Ghazavi等［20］提出的通過提高加筋材料拉伸強(qiáng)度，可提高復(fù)合地基的承載力的觀點(diǎn)。

2.2 樁土應(yīng)力比分析

復(fù)合地基樁土應(yīng)力比n隨沉降（S/D）的變化關(guān)系曲線如圖7所示，其中，S為荷載板的沉降值，D為荷載板的直徑大小。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，加載之初，地基還未發(fā)生較大沉降時，各工況加筋碎石樁的樁土應(yīng)力比都較為接近，n值均處在3～6之間，此時樁體承受的荷載略大于樁周土承受的荷載。但隨著位移的增加，加筋套筒對碎石樁的約束作用逐漸得以發(fā)揮，樁體分擔(dān)的荷載逐漸增多，n值快速增大。竹筋格柵套筒全長加筋碎石樁復(fù)合地基在整個加載階段，隨著位移的增大，其n值始終呈現(xiàn)上升的趨勢，加載結(jié)束時達(dá)到了30左右；土工格柵套筒加筋碎石樁復(fù)合地基的n值穩(wěn)定在16左右，竹筋格柵套筒半長加筋碎石樁n值穩(wěn)定在8左右，而未加筋碎石樁的n值增長幅度較小，最終穩(wěn)定在5左右。

結(jié)果表明：竹筋格柵套筒對碎石材料的側(cè)向約束作用使得樁體剛度進(jìn)一步提升，加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，n值大幅提升，且相比于土工格柵套筒，其提升幅度更為明顯。而竹筋格柵半長加筋的碎石樁樁體分擔(dān)荷載能力有限，n值略大于未加筋碎石樁。這充分說明隨著碎石樁加筋長度的增加，樁體將承擔(dān)更多的上部荷載。

2.3 樁底與樁頂應(yīng)力比分析

為研究樁體兩端應(yīng)力的變化規(guī)律，在樁頂及樁底中心處各設(shè)置一個土壓力盒，得到不同工況樁底與樁頂應(yīng)力比α隨沉降（S/D）的變化曲線，如圖8所示。

由圖8可知，相同沉降時，碎石樁樁底與樁頂應(yīng)力比α從大到小依次為：竹筋格柵全長加筋＞土工格柵加筋＞竹筋格柵半長加筋＞未加筋。竹筋格柵全長加筋在加載初期，α值逐漸增大，當(dāng)S/D達(dá)到4%左右時，α值達(dá)到最大值0.82，之后隨著位移的增大α值逐漸減小，當(dāng)S/D達(dá)到10%時，α值下降到0.65左右，最后趨于穩(wěn)定。土工格柵套筒加筋碎石樁α值隨著S/D的增加而逐漸下降，當(dāng)S/D接近5%時，穩(wěn)定在0.53左右。竹筋格柵套筒半長加筋碎石樁的α值絕大部分小于0.5，最終穩(wěn)定在0.30左右，與普通碎石樁差距不大。

試驗結(jié)果表明，相比于工程中常用的土工格柵，采用竹筋格柵套筒加固后的碎石樁，其傳遞上部荷載的能力更強(qiáng)，可有效提升地基的承載能力。同時，半長加筋碎石樁在荷載作用下較早的發(fā)生了鼓脹變形，上部荷載主要由樁周土提供的側(cè)摩阻力承擔(dān)，表現(xiàn)為端承摩擦樁的性質(zhì)，而全長加筋碎石樁在加載過程中α值始終大于0.5，樁端阻力遠(yuǎn)大于樁側(cè)摩阻力，表現(xiàn)出摩擦端承樁的承載特性。

2.4 樁體破壞模式分析

為直觀了解各工況樁體的破壞情況，試驗完成后移除砂墊層及樁周軟弱土，得到不同工況下樁體的破壞形態(tài)，如圖9所示。

對于未加筋碎石樁，如圖9（a）所示，隨著上部荷載的不斷增大，樁周土不能提供足夠的側(cè)向約束，在樁體上半部分（距樁頂1～4d長度范圍內(nèi)）發(fā)生了鼓脹變形，且鼓脹變形距樁頂約2d處達(dá)到最大，最終使得碎石樁及樁周土全面破壞失效。同時，由于未加筋碎石樁復(fù)合地基破壞后樁體與樁周土的剛度差異較小，二者之間基本沒有沉降差。

土工格柵加筋碎石樁在樁周土及加筋材料的共同約束下，樁體鼓脹變形有所緩解，但樁體與樁周土之間過大的剛度差異使得二者之間產(chǎn)生了明顯的沉降差。隨著荷載的增大，樁周土體從彈性階段進(jìn)入塑性階段，樁體在荷載作用下產(chǎn)生了明顯的彎曲變形，如圖9（b）所示。

對于竹筋格柵半長加筋碎石樁，其鼓脹變形區(qū)域下移，出現(xiàn)在樁體下半部分未加筋段，而采用竹筋格柵包裹的上半部分并未發(fā)生明顯變形。同時，由于樁體上下兩部分的剛度差異，上半部加筋段刺入未加筋段，形成類似于剛性樁復(fù)合地基的刺入變形。

采用竹筋格柵全長加筋的碎石樁如圖9（c）所示。直至加載結(jié)束時，碎石樁樁體仍較為完好，未發(fā)生明顯變形，整體仍具有較強(qiáng)剛度，但竹筋格柵套筒中間部分豎向直筋發(fā)生斷裂，這在一定程度上說明竹筋格柵套筒的約束力并未得到充分發(fā)揮，通過增加豎向直筋厚度或減小網(wǎng)格尺寸仍可提高樁體承載力。同時，由于樁體剛度遠(yuǎn)大于樁周軟土，二者之間產(chǎn)生較大沉降差，墊層砂料向這一區(qū)域運(yùn)動，將空隙填充，表現(xiàn)為樁體向上刺入砂墊層。

3 竹筋格柵耐久性分析

目前，將竹材應(yīng)用于地基處理工程領(lǐng)域中面臨的最大阻礙為竹筋的耐久性問題。關(guān)于竹筋應(yīng)用于地基加固中的耐久性問題，目前的研究主要從以下3方面進(jìn)行考慮。① 通過物理或化學(xué)手段對其進(jìn)行防潮、防腐、防蟲處理，從而延長竹筋耐久性。呂韜等［14］將處理過的竹筋用于邊坡加固，該邊坡從2002年至今已近20 a，位移基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，外表無明顯開裂現(xiàn)象，且竹筋保持完好。② 基于固結(jié)理論，竹材隨時間逐漸老化降解的過程也是土體排水固結(jié)過程，黨發(fā)寧等［15］在利用竹筋格柵加固軟土路堤時，發(fā)現(xiàn)在其完全失效前的十余年內(nèi)，路堤通過固結(jié)作用其穩(wěn)定性已滿足路基承載力要求。③ 竹材的輔助加固作用，陳俊等［16］采用土工格柵為主、竹筋格柵為輔對路堤進(jìn)行加筋處理，在確保路堤穩(wěn)定性的前提下，可減少土工格柵的用量。

綜上所述，竹筋格柵加筋碎石樁綜合考慮上述3種效用，經(jīng)過防腐處理后的格柵套筒在地基中保存時間一般可達(dá)到20 a以上，在這一階段樁周土通過排水固結(jié)可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使得地基可滿足工程設(shè)計的承載力要求。而當(dāng)工程穩(wěn)定性要求較高及所需加固年限較長時，可將竹筋格柵作為輔助加筋材料，進(jìn)一步提升加筋軟弱地基前期的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

（1） 試驗研究表明，采用竹筋格柵全長加筋可有效提高碎石樁復(fù)合地基的承載力，其加筋效果優(yōu)于傳統(tǒng)土工格柵。而竹筋格柵半長加筋未能充分發(fā)揮套筒環(huán)向約束作用，對于地基承載力的提高作用有限。

（2） 復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比大小與加筋材料拉伸強(qiáng)度及加筋長度呈正相關(guān)，表現(xiàn)為竹筋格柵全長加筋＞土工格柵加筋＞竹筋格柵半長加筋＞未加筋，說明竹筋格柵可以較大程度提升樁體剛度。

（3） 加筋改變了碎石樁承載特性，竹筋格柵與土工格柵全長加筋碎石樁樁底與樁頂應(yīng)力比值均大于0.5，表現(xiàn)為摩擦端承樁，且前者應(yīng)力比略大于后者；普通碎石樁、竹筋格柵半長加筋碎石樁應(yīng)力比值在0.5以內(nèi)，表現(xiàn)為端承摩擦樁，上部荷載主要由樁周土提供的側(cè)摩阻力承擔(dān)。

（4） 隨著加筋材料拉伸強(qiáng)度的增大，碎石樁的破壞形式從未加筋時的鼓脹破壞過渡到土工格柵加筋時的彎曲屈服，最后到竹筋格柵加筋時的向上刺入砂墊層破壞，表明樁體剛度增大的同時，破壞模式也相應(yīng)發(fā)生了改變。

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（編輯：鄭 毅）

Load-bearing deformation characteristics of gravel piles with bamboo-reinforced grid-sleeve

LI Jianbao1，2，LUO Zhengdong2，XIE Cekun2，HE Min3，LIANG Bin3

（1.Yueyang Roads and Bridge Group Co.，Ltd.，Yueyang 414000，China； 2.College of Civil Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China； 3.School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China）

Abstract：

In response to the China "dual-carbon" development strategy and to promote the development of water conservancy and construction industry in a green，low-carbon and sustainable way，it is proposed to use natural bamboo reinforced materials to replace the traditional geosynthetics in reinforcement of soft soil foundations.Through the indoor model test，the mechanical properties of bamboo were studied.The bearing characteristics of the composite foundation of bamboo-reinforced grid sleeve-reinforced gravel piles were also studied from four aspects：load-settlement variation law，pile-soil stress distribution law，pile load transfer law，and pile failure mode.The results show that the mechanical properties of bamboo can not only meet the requirements of the specification for reinforced materials，but also are better than the traditional geogrid materials.The full-length reinforced gravel pile with bamboo-reinforced grid has a more obvious effect on the bearing capacity of the composite foundation than the half-length reinforced one.The bamboo-reinforced grid sleeve can significantly increase the pile-soil stress ratio，which improves the load transfer capacity of ordinary gravel piles to a certain extent.In addition，the full-length reinforced gravel pile with bamboo exhibits bearing characteristics of friction end-bearing piles，while the half-length reinforced gravel pile show characteristics of end-bearing friction piles.The research results can provide a reference for the design and construction of bamboo-reinforced grid sleeve-reinforced gravel piles.

Key words：

reinforced gravel piles；bamboo-reinforced grid；composite foundation；pile-soil stress ratio；failure mode