桩承式加筋地基室内试验及数值分析

刘飞禹，余 炜，蔡袁强，张孟喜

（1. 上海大学 土木工程系，上海 200072；2. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，杭州 310027）

1 引 言

桩承式加筋地基因其良好的工程性能和经济效应，已被越来越广泛地用于解决水利、交通等实际工程问题[1－3]。

与加筋地基的研究相比[4－6]，目前对于桩承式加筋地基的研究还比较有限。连峰等[7]通过现场试验研究了桩-网复合地基的沉降变形、桩土应力比等性状，认为土工格栅的荷载传递能力强于土拱。崔溦等[8]通过离心模型试验，认为桩承式加筋地基虽然能满足软基的沉降控制要求，但单层格栅对于控制路堤沉降效果不明显。芮瑞等[9]采用FLAC 3D软件，揭示了桩-网复合地基与桩承式路堤两种不同处理方式各自的特点，发现桩承式路堤更有利于减小地基变形。Low等[10]通过模型试验，研究了方形布置的桩网复合地基中空间土拱效应的作用特性。Hello等[11]通过数值模拟与模型试验相对比的方法，研究了桩承式加筋地基的张拉膜效应。Chen等[12]研究了桩土相对位移、水平加筋体等因素对桩土应力比的影响。陈艳平等[13]、马学宁[14]等通过现场试验和模型试验，对土工格室碎石垫层+碎石桩复合地基的作用机制进行了研究。肖宏等[15]结合现场工程实践，对桩网结构柔性拱进行研究，认为桩网结构柔性拱的沉降波形呈“网兜”状。

然而，上述研究对桩承式加筋地基的承载力机制、桩土应力比、桩和网的受力状况等方面的认识尚不统一，对影响桩承式加筋地基效果的因素也未进行系统分析。因此，本次首先进行室内模型试验，研究桩承式加筋地基在静载作用下的特性，然后采用FLAC3D建立三维流固耦合的计算模型，对影响桩承式加筋地基效果的因素进行分析。

2 模型试验

2.1 试验装置

试验装置由反力架、油压千斤顶、加载板、钢化玻璃模型箱4部分组成。模型箱为长方体，尺寸为100 cm×80 cm×80 cm，如图1所示。模型箱侧面距底部约5 cm处设置出水口，内侧用土工织物封闭。加载板为37 cm×37 cm×1.8 cm的钢板，使用油压千斤顶进行加载，量程为200 kN。

图1 试验装置Fig.1 Layout of test setup

2.2 试验方案

试验共分4组：试验1模拟天然软土地基；试验2模拟土工格栅加筋地基，在软土层与砂垫层间铺设1层土工格栅；试验3模拟桩承式地基，在软土地基中成矩形布置4×4根桩；试验4模拟桩承式加筋地基，即在试验3的基础上，在软土层与砂垫层间加铺1层土工格栅。各层填料厚度及桩体和格栅的位置如图2所示，使用油压千斤顶对加载板从0.5 kN（3.65 kPa）加载至 6 kN（43.8 kPa），其中（）中数据千斤顶轴力加载板相应的加载应力值，分12级进行加载，每级递增0.5 kN。当每级加载沉降量小于0.1 mm/30 min时视为沉降稳定，再进行下一级加载。试验中实时记录土压力盒、格栅应变片、百分表的读数。各测点具体位置如图2所示。

图2 测点布置示意图（单位：mm）Fig.2 Layout of test points (unit: mm)

2.3 试验材料

试验选用的砂垫层填料为干净的河砂，砂粒密度为 2.36，不均匀系数为 1.28，最大孔隙比为1.06，最小孔隙比为 0.67。碎石垫层的重度为18.12 kN/m3，内摩擦角为34°。试验用土取自上海某建筑工地的淤泥质粉质黏土，土样密封保存。软土基本物理力学参数见表 1，选用的土工格栅规格及性能参数见表2。试验使用C25预制混凝土模型桩。桩长50 cm，桩径为5 cm。试验中桩端嵌入碎石持力层5 cm。

表1 试验用软土物理力学指标Table1 Physico-mechanical properties of soft soil

表2 试验用土工格栅规格及性能参数Table2 Physical properties of the geogrid

2.4 试验方法

试验装置安装完成后，首先在模型箱底部铺10 cm碎石层，整平压实作为持力层。试验1、2直接分层填铺软黏土，取15 cm为1个分层，每层均整平压实，铺设高度为45 cm。试验3、4，先铺设15 cm厚软土，整平压实后，确定桩位并钻孔取土。将2根贴好应变片的预制桩对中，用导向架定位，再用千斤顶将桩竖直压入土中并进入碎石持力层5 cm，随后，分层填土至45 cm高。软土层铺筑完毕后，在其表面铺1层土工布，再用砂袋进行堆载预压，所加荷载为试验第一级加载的1/2；预压7 d后取出土工布，在桩顶及桩间软土表面设置好土压力盒后，将土工格栅拉紧平铺在桩顶，边界进行反折锚固，反折高度为5 cm，折回长度为15 cm，见图 2(a)。最后进行砂垫层的填筑。为了使各组试验填入模型箱中的砂，具有基本相同的物理力学性能，每次倒入模型箱的填料重量相同，并且填料加载时要分层铺填砂料，取10 cm为1个分层，每填完1层后，用重压板将其压实，再铺设下1层砂，直至预定高度。砂垫层填筑完成后，同样在其表面铺 1层土工布，后用砂袋进行堆载预压，所加荷载为试验第一级加载的1/2，预压72 h。经测试，4组试验的砂垫层重度为 15.89～16.32 kN/m3，计算时取16.10 kN/m3，内摩擦角取29°。

3 数值模型建模

3.1 几何模型及边界条件

采用 FLAC3D建立了与模型试验尺寸相同的三维流固耦合计算模型，具体尺寸及网格划分情况如图3所示。计算时，将模型底部三个方向的变形完全约束住，而模型四周则仅约束相应的水平变形。另外，假设地下水位线位于软土地基顶面。将模型四周边界设置为不透水边界；模型底面设定为透水边界。

图3 三维计算模型网格划分示意图（单位：m）Fig.3 Layout of three-dimensional model mesh (unit: m)

3.2 材料参数

土工格栅和桩体的特性分别采用geogrid和pile结构单元来模拟。砂垫层、软土层和持力层均采用摩尔-库仑模型来模拟。各项材料参数取值与试验相同，渗透系数取1.0×10-6m/s。

4 试验结果及分析

4.1 荷载-沉降关系

图4为各组试验加载板的荷载-沉降关系曲线，并与数值模拟的结果进行了对比。加载板上的沉降观测点位置见图2(b)，对B1、B2两点测得的结果取平均，即为加载板的沉降值。由试验1曲线看到，天然软土地基在逐级加载的过程中，加载板的沉降值或沉降增长率（△S/△P）都随荷载值的增加而增加，增至第四级荷载后，加载板上荷载值无法继续增加，而加载板的沉降值却不断增大，此时，试验现场观察到砂垫层表面已发生冲切破坏，对应的极限承载力为14.6 kPa。试验2采用土工格栅加固软基后，同级荷载作用下加载板沉降值有所减小，而加固后的软基极限承载力提高到18.25 kPa。相比于试验1，试验2地基极限荷载提高1.25倍。对于试验3桩承式地基的情况，在土拱效应和桩体加固效应的共同作用下，同级荷载作用时加载板沉降值相对于试验2又有明显减小，试验3桩承式地基极限承载力也提高到了29.2 kPa，相比于试验1提高20倍。试验4综合了试验2和试验3两种地基处理方式的优点，同级荷载作用下其加载板沉降值最小，极限荷载更是得到显著提高，达到43.8 kPa，比试验1提高3倍，说明桩承式加筋地基可以有效地减小加载板的沉降量，显著地提高了软土地基的承载力。另外，从图4中试验结果与数值分析结果的对比可以看出，两者较好吻合，表明本文所建立的桩承式加筋路堤流固耦合的分析模型是合理的。

图4 加载板的荷载-沉降关系曲线Fig.4 Load-displacement curves of loading board

4.2 桩土应力

图5为试验3、4中桩土应力比随荷载变化曲线，其中桩顶应力取Y1、Y3、Y5、Y7的平均值，桩间土应力取Y2、Y4、Y6、Y8的平均值，各测点的位置见图2(b)。

图5 桩土应力比随荷载变化曲线Fig.5 Load- pile-soil stress ratio curves

从图5可以看出，随着荷载的不断增大，试验3、4测得的桩土应力比都呈现先增大后减小的变化趋势，这是由于加载初期，软土地基顶面桩土位移差不断增大，砂垫层中的土拱效应逐步发挥作用，直至桩土应力比达到峰值。而后，随着加载值继续增大，桩土位移差也继续增大，砂垫层中土拱效应逐渐受到破坏，桩土应力比相应减小。但在同级荷载作用下，试验4测得的桩土应力比都要大于试验3，试验 3测得的最大桩土应力比为17，而试验 4达到了23，是试验3的1.35倍，说明相比于桩承式地基，桩承式加筋地基在增加了水平向加筋体土工格栅后，更有利于将上部砂垫层荷载传递至桩顶，使得“桩-网-土”三者协同作用，形成更有效的承载体系，从而显著提高加筋地基承载力。

4.3 桩身轴向应变

图6为试验3、4中桩身轴向应变沿深度的变化规律。各测点应变片位置见图 2(a)。从图 6(a)可以看出，在不同荷载作用下，随着距软土地基顶面深度的增加，桩身轴向应变呈现先增大后减小的变化趋势。另外，随着荷载的不断增大，桩身各点轴向应变值相应增加。3种荷载条件下桩身轴向应变最大值分别为-395.1、-457.3、-603.5 με。对于试验4桩承式加筋地基，桩身轴向应变沿深度的变化规律如图6(b)所示，与试验3基本一致，但在同一荷载作用下，试验4中桩身轴向应变值要明显大于试验3。

图6 桩身轴向应变沿深度的变化曲线Fig.6 Strain of pile-depths of the points

3种荷载条件下试验4桩身轴向应变最大值为-428.2、-623.5、-912.7 με，分别是试验 3 的 1.08、1.36、1.51倍，说明相比于试验3桩承式地基，试验4桩承式加筋地基可以将更多的上部荷载通过桩体直接传递到持力层，有效地提高了加筋地基承载力。

4.4 土工格栅应变

图7为逐级加载过程中试验2、4不同监测点处土工格栅应变值随荷载的变化曲线。W1～W7各点格栅应变位置见图2(b)。由于对称性，本文只给出了W1～W4点的格栅应变值。从图7(a)试验2的曲线可以看出，随着加载值的不断增大，各测点的格栅应变值不断增大。在同一荷载作用下，距离地基中心越近的测点，格栅应变值越大，表明土工格栅应力沿线路横向形成了“中间大，两头小”的分布态势。对于试验 4，在同级荷载作用下位于桩间土上的测点W2、W4的格栅应变值，明显大于位于桩顶上的格栅测点 W1、W3的应变值。相比试验 2测得的格栅应变最大值1287 με，试验4中格栅应变的最大值达到了13399 με，增大了10.4倍，表明桩承式加筋地基中，土工格栅张拉膜效应比加筋地基中更明显，从而能更有效提高地基的承载力。

图7 土工格栅应变随荷载的变化Fig.7 Strain of grogrid-load curves

5 影响加筋效果的因素分析

本节采用 FLAC3D建立的桩承式加筋地基流固耦合分析模型，对影响其性能的因素进行计算分析。

5.1 桩间距对沉降的影响

图8为不同桩间距时A点的荷载-沉降关系曲线。随着桩间距的增大，同级荷载作用下A点的沉降逐渐增大，当加载值为43.8 kPa时，沉降值分别为84.56、93.34、97.32 mm，表明桩间距越小，桩承式加筋地基的沉降值越小。但桩间距的减小，意味着桩体数量的增加，经济性受影响。

图8 桩间距对A点荷载-沉降的影响Fig.8 Influence of spacing between piles on displacements

5.2 桩间距对桩土应力比的影响

图9为不同桩间距时桩土应力比随加载值的变化曲线。由图可见，同级荷载下，随着桩间距的不断减小，桩土应力比逐渐增大。这主要是由于桩间距越大，形成完整土拱所需的砂垫层厚度也越大。因此，在砂垫层厚度相等的情况下，桩间距越大，土拱效应越小，桩土应力比也越小。

图9 桩间距对桩土应力比的影响Fig.9 Influence of spacing between piles on pile-soil stress ratios

5.3 格栅模量对沉降的影响

图10为不同格栅模量时A点的荷载-沉降关系曲线。从图中可以看出，同级荷载作用下A点的沉降值随格栅模量的增大而减小，而且加载值越大，增大格栅模量对减小A点沉降的效果越明显。这是由于土工格栅只在产生一定的变形后才能逐渐发挥张拉膜效应，当加载值较小时，格栅变形较小。格栅模量对沉降的影响并不是很明显，只有在加载值达到一定程度后，增大格栅模量对减小地基的沉降才有显著的效果。

图10 格栅模量对A点沉降的影响Fig.10 Influence of geogrid modulus on displacements

5.4 格栅模量对桩土应力比的影响

图11为不同格栅模量时桩土应力比随加载值的变化曲线。由图可见，同级荷载作用下，随着格栅模量的增大，桩土应力比逐渐增大。说明增大格栅模量，可以使得桩承式加筋地基中土工格栅的张拉膜效应得到更有效的发挥，进而将更多的上部荷载传递至桩顶，导致桩土应力比的增大。

图11 格栅模量对桩土应力比的影响Fig.11 Influence of geogrid modulus on pile-soil stress ratios

6 结 论

（1）桩承式加筋地基可以有效地减小软土地基的沉降量，大幅提高软土地基的承载力。

（2）相比于桩承式地基，桩承式加筋地基在增加水平向加筋体后，能形成更有效的承载体系。

（3）随着桩间距的增大，桩承式加筋地基表面沉降逐渐增大，桩土应力比逐渐减小。

（4）随着格栅模量的增加，桩承式加筋地基表面沉降逐渐减小，桩土应力比逐渐增大。

[1]HAN J,GABR M A. Numerical analysis of geosynthetic reinforced and pile-supported earth platforms over soft soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2002,128(1): 44－53.

[2]HUANG J,HAN J. 3D coupled mechanical and hydraulic modeling of a geosynthetic-reinforced deep mixed column-supported embankment[J]. Geotextiles and Geomembranes,2009,27(4): 272－280.

[3]饶为国,赵成刚. 桩-网复合地基应力比分析与计算[J].土木工程学报,2002,35(2): 74－80.RAO Wei-guo,ZHAO Cheng-gang. The behavior of pile-net composite foundation[J]. China Civil Engineering Journal,2002,35(2): 74－79.

[4]BASUDHAR P K,SAHA S,DEB K. Circular footings resting on geotextile-reinforced sand bed[J]. Geotextiles and Geomembranes,2007,25(6): 377－384.

[5]MOSTAFA A,SAWWAF E. Behavior of strip footing on geogrid-reinforced sand over a soft clay slope[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,25(1): 50－60.

[6]LATHA G M,SOMWANSHI A. Bearing capacity of square footings on geosynthetic reinforced sand[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(4): 281－294.

[7]连峰,龚晓南,崔诗才,等. 桩-网复合地基承载性状现场试验研究[J]. 岩土力学,2009,30(4): 1057－1062.LIAN Feng,GONG Xiao-nan,CUI Shi-cai,et al. Field study of bearing behavior of pile-net composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1057－1062.

[8]崔溦,闫澍旺. 水泥土桩联合土工格栅复合地基的离心模型试验研究[J]. 岩土力学,2008,29(5): 1315－1319.CUI Wei,YAN Shu-wang. The study of centrifugal model test on cement-soil pile joint geogrid composite foundation[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(5):1315－1319.

[9]芮瑞,夏元友. 桩-网复合地基与桩承式路堤的对比数值模拟[J]. 岩土工程学报,2007,29(5): 769－772.RUI Rui,XIA Yuan-you. Numerical simulation and comparison of pile-net composite foundation with pile-supported embankment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(5): 769－772.

[10]LOW B K,TANG S K,CHOA V. Arching in piled embankments[J]. Journal of Geotechnical Engineering,1994,120(11): 1917－1938.

[11]HELLO B L,B P V. Embankments reinforced by piles and geosynthetics—Numerical and experimental studies dealing with the transfer of load on the soil embankment[J]. Engineering Geology,2009,106: 78－91.

[12]CHEN Yun-min,CAO Wei-ping,CHEN Ren-peng. An experimental investigation of soil arching within basalreinforced and unreinforced piled embankments[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,26: 164－174.

[13]陈艳平,赵明华,陈昌富,等. 土工格室碎石垫层-碎石桩复合地基相似模型试验[J]. 中国公路学报,2006,19(1): 17－22.CHEN Yan-ping,ZHAO Ming-hua,CHEN Chang-fu,et al. Similarity model test of geocell reinforced gravel mattress and gravel pile composite foundation[J]. China Journal of Highway and Transport,2006,19(1): 17－22.

[14]马学宁,杨有海,梁波. 土工格栅砂垫层与碎石桩复合地基承载试验研究[J]. 兰州交通大学学报（自然科学版）,2005,24(4): 24－27.MA Xue-ning,YANG You-hai,LIANG Bo. Bearing capacity model test of geogrid reinforced sand blanket and gravel pile composite foundation[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University (Natural Sciences),2005,24(4): 24－27.

[15]肖宏,蒋关鲁,魏永幸. 桩网结构模型试验柔性拱研究[J]. 岩土力学,2008,29(11): 3032－3036.XIAO Hong,JIANG Guan-lu,WEI Yong-xing. Study of flexible arch of model test in column-net structure[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(11): 3032－3036.