土工合成材料用于路基加固樁優(yōu)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(wěn)定性的特點，但其作為筋材發(fā)揮約束作用主要是用于加筋土或樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(yōu)化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁（土工合成包覆預(yù)應(yīng)力水泥漿樁），從制備、原理、應(yīng)用與推廣等方面展開分析。得出結(jié)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(fā)生在距樁頂D～2D深度處；樁群的破壞模式為脹形和側(cè)向變形結(jié)合。（2）GEP水泥漿樁復(fù)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(fù)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(jìn)行封堵，有利于荷載向下傳遞，抑制樁側(cè)脹變形，減輕樁裂，增強(qiáng)樁承載力，具有很好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，該文研究成果可為路基加固樁優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0064-03

0 引言

道路建設(shè)和運(yùn)營中，由于前期設(shè)計不合理、施工過程不規(guī)范、后期養(yǎng)護(hù)不到位、交通運(yùn)行超載、環(huán)境復(fù)雜等許多方面的原因，路面出現(xiàn)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(yù)防和處治相當(dāng)重要，為避免和延緩病害發(fā)生，首要是路基加固，承載力和沉降是控制基礎(chǔ)設(shè)計和性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國對路基加固技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，如路基換填法、排水固結(jié)法、擠壓法、補(bǔ)強(qiáng)法等，樁作為復(fù)合地基方法的一種，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

土工合成材料具有提高加固土體承載能力和穩(wěn)定性的特點，其能吸收因設(shè)計荷載的影響而在土體中產(chǎn)生的拉應(yīng)力。在設(shè)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(chǎn)生的總法向應(yīng)力很小，小于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，與設(shè)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(jié)構(gòu)與未加固的土床結(jié)構(gòu)相比，總法向應(yīng)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(fā)揮約束作用主要是用于加筋土或樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等，將其與碎石樁或水泥漿樁結(jié)合的應(yīng)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(yōu)化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁（土工合成包覆預(yù)應(yīng)力水泥漿樁），從制備、原理、應(yīng)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(shù)優(yōu)化及應(yīng)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(yīng)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(cè)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(cè)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(fā)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(cè)向撓曲的結(jié)合，碎石樁的側(cè)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(hù)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(cè)脹。通過提高圍護(hù)材料的極限抗拉強(qiáng)度，在全長和半樁長圍護(hù)下，極限承載力均高于不加筋情況；且全長圍護(hù)比半樁長圍護(hù)效果更好，半樁長圍護(hù)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(yīng)變增加，土工布材料的拉應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，抗拉強(qiáng)度與碎石樁受到的側(cè)向約束增加）。

1.3 負(fù)載比

將負(fù)載比（load ratio，L.R.）定義為是否設(shè)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(shè)置長度和抗拉強(qiáng)度的增加，L.R.相應(yīng)增大，因為土工合成材料為樁提供了側(cè)向約束，減少了脹形。隨著加載進(jìn)行，沉降量增加，但沉降量增大到一定值后，由于脹形發(fā)生，樁達(dá)到最大強(qiáng)度后，L.R.減小。

1.4 應(yīng)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(jìn)行分配，由于樁的剛度大于軟土的剛度，因此樁的應(yīng)力大于周圍軟土的應(yīng)力。將樁應(yīng)力與周圍軟土應(yīng)力之比定義為應(yīng)力集中比（SCR，用n表示），增加土工材料的長度和抗拉強(qiáng)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(dǎo)致顆粒之間的機(jī)械聯(lián)鎖；隨著荷載和沉降的增加，顆粒狀物質(zhì)有向周圍軟土橫向移動的趨勢，導(dǎo)致荷載逐漸轉(zhuǎn)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(yīng)力得到更大程度的調(diào)動。

2 GEP水泥漿樁

土工合成包覆預(yù)應(yīng)力（GEP）水泥漿樁技術(shù)[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(jìn)行預(yù)應(yīng)力條件下養(yǎng)護(hù)以提高其穩(wěn)定性和強(qiáng)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(cè)向極限壓力，水泥漿加固樁的膨脹破壞最容易發(fā)生在樁的上部，特別是當(dāng)樁周土體較軟時，所提供的側(cè)向約束力往往不足。設(shè)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(cè)向力，減少變形，且由于土工格柵的抗拉強(qiáng)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(nèi)預(yù)先安裝環(huán)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(jié)泥漿樁，并通過壓力裝置在膠結(jié)泥漿增強(qiáng)樁的頂端施加預(yù)應(yīng)力，其制備示意如下圖2所示[5]。

2.2 承載力傳遞規(guī)律探究

（1）復(fù)合地基極限承載力

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

（2）復(fù)合地基中水泥漿樁的內(nèi)應(yīng)力傳遞規(guī)律

豎向荷載作用于復(fù)合地基時，樁體上部受壓，對樁周土體產(chǎn)生向下位移，同時土體也阻礙這種向下的位移，從而在樁側(cè)表面產(chǎn)生相對向上的摩擦力。樁上荷載通過樁側(cè)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(cè)摩擦力尚未產(chǎn)生，因此為0。在樁荷載初始階段，樁側(cè)摩阻力與向下位移近似呈線性關(guān)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(diào)動起來，將部分荷載傳遞給樁端土層承擔(dān)，造成樁端土層壓縮變形，進(jìn)而產(chǎn)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(jìn)一步增大，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限，且位移繼續(xù)增大時，樁側(cè)摩阻力保持不變，而樁端阻力繼續(xù)增大。

（3）復(fù)合地基承載力影響因素分析

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

影響水泥漿樁復(fù)合地基極限承載力的因素主要為：土工格柵材料、內(nèi)摩擦角、黏結(jié)力、長徑比。分析表明：樁的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力對復(fù)合地基的沉降有顯著影響，預(yù)應(yīng)力養(yǎng)護(hù)可以增大樁的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力，從而提高復(fù)合地基的極限承載力。但需要注意的是，預(yù)應(yīng)力支護(hù)也增加了樁的脆性，土工格柵的約束作用增強(qiáng)了復(fù)合地基中樁的強(qiáng)度和延性，補(bǔ)充了預(yù)應(yīng)力支護(hù)的作用，同時提高復(fù)合地基中樁的抗壓強(qiáng)度和延性。

在設(shè)計過程中，建議選用高強(qiáng)度、高彈性模量的土工格柵材料，另外在養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)對樁進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力處理，以保證復(fù)合地基的承載力滿足實際施工的要求。這種綜合方法結(jié)合了高強(qiáng)度土工格柵材料的使用、預(yù)應(yīng)力養(yǎng)護(hù)和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計考慮，以優(yōu)化復(fù)合地基的強(qiáng)度、延性和承載能力。

2.3 應(yīng)用與推廣

隨著城市化進(jìn)程的加快、地下空間的開發(fā)以及交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在鉆孔灌注樁施工、盾構(gòu)隧道施工、連續(xù)墻施工等過程中產(chǎn)生了大量的工程廢漿，該廢漿如果處理不當(dāng)，會造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞。此外，交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，包括水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，需要進(jìn)行許多港口和航道疏浚工程，產(chǎn)生大量的疏浚污泥。工業(yè)廢漿和疏浚土由于含水量較高，工程性質(zhì)較差，不適合直接用于工程建設(shè)，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(yè)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(zhì)量。其次，其與廢漿中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生各種水化產(chǎn)物，進(jìn)一步降低了水的含量。最后，這些水化產(chǎn)物有助于廢漿固化后的強(qiáng)度。固化廢漿的強(qiáng)度是固化處理成功與否的重要標(biāo)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(qiáng)度，通常在較高的壓力下產(chǎn)生更強(qiáng)的結(jié)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(xù)的方法。

在地下深層處理領(lǐng)域，水泥土攪拌樁技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]，但由于技術(shù)限制和認(rèn)知因素，容易產(chǎn)生攪拌不均勻、狀體不連續(xù)、強(qiáng)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(chǎn)生大量的廢漿?！八槭庸虡丁钡确椒梢蕴岣邩兜膭偠群统休d力，有效地控制復(fù)合地基沉降，但此種方法需要大量的原材料。

從促進(jìn)綠色和可持續(xù)發(fā)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(shù)中具有重要意義，該項技術(shù)有幾個好處，包括成本效益、環(huán)境友好和易于施工。GEP水泥漿樁技術(shù)的主要優(yōu)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(fèi)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(huán)境和生態(tài)效益。

3 結(jié)論

該文介紹了土工合成材料應(yīng)用于碎石樁和水泥漿樁的優(yōu)化方法——加筋碎石樁、GEP水泥漿樁，從制備、原理、應(yīng)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(fā)生在距樁頂D～2D深度處；樁群的破壞模式為脹形和側(cè)向變形結(jié)合；土工合成材料的使用進(jìn)一步提高了土體的極限荷載和剛度；隨著加筋套長度和強(qiáng)度的增大，樁的極限承載力和剛度增大；應(yīng)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(fù)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(fù)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(jìn)行封堵，有利于荷載向下傳遞，抑制樁側(cè)脹變形，減輕樁裂，增強(qiáng)樁承載力，具有很好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

該文研究成果可為路基加固樁技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用提供一定的參考。

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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(shè)計與研究。