桩与土工格栅联合处理软土地基中土工格栅的作用效果分析

黄 磊 赵翠英 姚新亮

（大连开发区规划建筑设计院，辽宁 大连 116600）

1 前言

在市政道路的修筑过程中，经常遇见大面积且具有较大深度的淤泥或淤泥质土等高压缩性软弱路基土层，为了保证路基的稳定性及满足其承载力要求，需对软弱的路基土进行处理。传统的地基处理方法如真空联合堆载预压、堆载预压等方法不仅建设成本高，而且施工效率低，工期长，往往不能满足市政道路施工短周期的要求。因此在市政道路软基处理中采用桩与土工格栅联合作用来加固软土地基，可以满足施工周期要求，而且是较经济的做法。

桩与土工格栅联合处理软土地基是指在用群桩基础竖向加固软土地基的同时，在桩顶上再铺设土工格栅加筋垫层，形成平铺加筋群桩复合地基。这样可以在使路基承载力达到要求的同时，利用土工格栅的水平加筋作用提高其稳定性并减少不均匀沉降。

笔者以大连金州新区城北工业区某路软基处理工程为依托，采用有限元方法建立桩与土工格栅联合加固地基的路堤有限元模型，对其进行弹塑性数值计算，对桩与土工加筋层联合作用进行有限元分析，并对比不设土工加筋层时加固效果。

2 工程背景

大连金州新区城北工业区某路K4+500～K5+750段位于青云河流域附近路基土质存在较深的淤泥质土，成层状连续分布，土质极差，承载力低，最大层厚在8米左右。由于工期限制，为保证道路建成后通车安全并满足使用要求，设计拟采用桩与土工格栅加筋垫层联合加固方案减小路基沉降，提高地基强度和稳定性。

图1 有限元网格划分

图2 堤沉降变形(放大50倍)

道路面层为沥青混凝土，厚0.13m。路基填土高5m，道路红线宽40m，加固区地基土厚8m，底部是5m厚坚硬土层作为持力层。加固措施采用低强度刚性桩复合地基加固，桩直径0.6m，桩长8m，桩间距按1.5mX1.5m布置，置换率为0.1256，路堤下铺设0.3m厚碎石褥垫层，垫层上铺设1层土工格栅，形成桩与土工格栅加筋垫层联合作用的符合地基，如图1所示。

建立该标段路堤典型断面的二维有限元模型，考虑到对称性，仅取路基的一半进行分析。路堤的有限元模型如图2所示。土工格栅采用弹性体模拟，轴向刚度EA=2000kN/m；桩体采用无孔隙渗透的线弹性体模拟；土体均采用弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则。路基各土层及桩体具体参数如表1所示。

路堤土与桩的计算参数

3 计算分析结果

填土路堤复合地基中桩体和桩间土的沉降量是不相等的，为提高复合地基桩土荷载分担比及复合地基承载力，减小复合地基沉降，往往会在复合地基与基础之间铺设一层刚度较大的垫层，如本工程中的土工格栅加筋垫层。为了研究土工格栅的加固效果，笔者将对比不设土工格栅与铺设土工格栅两种情况路基的沉降和承载力。

图2是填土路基与桩、土工格栅加筋复合地基沉降图。从图2可以看出：路堤及桩体均产生了水平侧向位移及竖向沉降，由于桩体的挤土作用，路堤边坡及坡脚处地基土产生隆起；最大沉降位置出现在路面范围内。

土工格栅在路堤受压过程中起到了类似抗拉膜的作用(图3)，对土体的侧向挤出产生约束作用，从而可以限制侧向位移，减小侧向隆起，提高地基的承载力；同时可以使地基中的应力重新分布，沿地基横截面的地基应力趋于均匀，从而减小了地基的不均匀沉降。

由图4可知，未设置土工格栅路基最大水平位移为44mm，设置土工格栅最大水平位移为26mm，相比未设置土工格栅水平位移减小40.9%。土工格栅抗拉作用有效改善了路基水平位移，增加路基稳定性。

图3 土工格栅的抗拉膜作用

图4 水平位移等值线对比图

图5 路基荷载-沉降曲线

表2 不同地基的承载力

由图5可知设置土工格栅路基承载力为378Kpa，不设土工格栅路基承载力为324Kpa，承载力提高17%。经过计算可以得到有土工格栅和无土工格栅2种情况下不同地基的承载力(表2)以及地基的荷载一沉降曲线(图 6)。

由表2可以看出：路堤地基承载力随着地基土刚度模量的减小而减小；当加铺土工格栅后，不同模量地基的承载力均有不同程度的提高；当地基土为刚度较小的淤泥或淤泥质土时，铺设土工格栅对地基承载力的提高效果明显，承载力最大增加量达到50 kPa，地基承载力提高25%。这说明土工格栅更适用于压缩变形量大的软弱地基土加固处理。在路面受到不同荷载作用时，格栅能减小地基的沉降变形；当荷载值较小时，土工格栅减小沉降的作用并不明显，随着荷载的不断增大，地基的沉降量也增加，格栅减小沉降的幅度也越来越大，即协调桩与桩间土变形的效果越明显；地基土刚度越小，土工格栅发挥的作用也就越明显。

4 结论

综合以上分析可知，在复合地基桩体顶部加铺土工格栅加筋垫层，桩与土工格栅联合加固处理地基过程中，土工格栅起到类似抗拉膜的作用，以控制地基的不均匀沉降。对于提高地基的承载力以及在减小沉降增加地基稳定性方面均能起到积极作用。从计算结果可知，加铺土工格栅加筋垫层在处理刚度较小的的淤泥或淤泥质土等软弱地基土时土工格栅所发挥的作用显著高于处理刚度较大的砂土等地基土。

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