海相淤泥质土地基加筋滤网碎石桩竖向承载性能试验研究

(1.中化岩土集团股份有限公司，北京 102600； 2.中国海洋大学 环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100；3.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

1 研究背景

碎石桩因施工简单、加固效果好和造价低廉等优点在软土地基处理中得到广泛应用[1-3]。碎石桩承载作用的发挥主要依靠桩周土对桩体的径向围箍力，当桩周土为强度较低的软土时(不排水抗剪强度Cu<15 kPa)，无法提供足够大的径向约束力，导致碎石桩体上部发生鼓胀破坏[4]。

加筋滤网碎石桩由加筋滤网与碎石共同作用形成，荷载作用下加筋滤网对碎石产生侧向约束作用，能防止碎石颗粒挤入周围土体，保持碎石桩的摩擦特性和排水固结通道[5-6]。

目前国内外学者对加筋滤网碎石桩受力性能分别从模型试验、室内试验、数值模拟等方面进行了一些研究，并取得了一定的研究成果。陈翠琼[7]将加筋滤网碎石桩用于建筑物软土地基加固，并证明了适用性。Murugesan等[8]、Yoo等[9]、Miranda等[10]、Mohapatra等[11]分别进行了加筋滤网碎石桩与普通碎石桩的模型试验，得出加筋滤网能显著提高碎石桩体的抗剪能力和承载力。李良勇等[12]建立了路堤荷载下加筋滤网散体桩有限元模型，分析了桩间距、加筋滤网刚度、路堤高度等因素对加固效果的影响。Hong等[13]基于软土地基上加筋滤网砂桩模型试验得出加筋滤网能提高砂桩的承载力，当滤网刚度较大时，侧胀变形沿桩身均匀分布。Hughes等[14]研究发现加筋滤网碎石桩桩身膨胀变形约发生于从桩顶至4倍桩径深度处。Sivakumar等[15]、Gniel等[16]通过三轴试验分别研究了加筋滤网砂桩、加筋滤网碎石桩试样中加筋滤网的侧向约束能力，得出桩体的强度和刚度随加筋滤网刚度的增加而提高。Chen等[17]对加筋滤网碎石桩试样进行单轴抗压试验，结果表明加筋滤网碎石桩试样单轴抗压强度主要与加筋滤网的抗拉强度有关，而与碎石的初始孔隙比无关。

已有研究大多采用模型试验、室内试验的方法对加筋滤网碎石桩(砂桩)试样的承载性能、加筋滤网的侧向约束能力等方面进行研究，而通过现场原位试验对加筋滤网碎石桩竖向承载性能的研究却鲜有报道。本文通过对加筋滤网碎石桩加固淤泥质软土地基进行现场试验，采用动力触探、平板载荷试验方法进行加固效果研究和分析，建立加筋滤网碎石桩单桩有限元模型，分析加筋滤网包裹长度对桩体承载性能的影响，可为加筋滤网碎石桩优化设计提供依据。

2 试验方案设计及结果分析

2.1 试验场地工程地质条件

现场试验场地原为海域，已回填整平，回填料为开山碎石土，后经3 000 kN·m能级强夯满夯处理，场地地势较平坦且排水通畅。试验区土层由上至下分别为：素填土层约3.5 m厚，淤泥质黏土层约9 m厚，粉质黏土层约0.5 m厚(部分钻孔缺失)，最下层为强风化花岗岩，桩端进入强风化花岗岩1 m。场地土层参数见表1。试验区选择在淤泥质黏土层较厚且上部无重要结构物的区域。

表1 土层参数

图1 试验区碎石桩平面布置

2.2 试验工艺及参数设计

预成孔加筋滤网碎石桩的施工工艺：首先在地基土中沉管并成孔，然后在孔内下设加筋滤网，并在加筋滤网中分层回填碎石，每层填料厚度≤2.0 m，采用振动杆振动密实，分层施工直至地面形成密实桩体。

试验布置为3个试验区，加筋滤网碎石桩共9根，分为3组，分别进行预成孔振冲碎石桩与预成孔振冲加筋滤网碎石桩试验。试验区碎石桩平面布置见图1，试验桩参数见表2，HP470加筋滤网参数见表3，碎石填料由粒径20 mm和40 mm的碎石等比例混合而成。

表2 试验桩参数

表3 HP470加筋滤网参数

表4 满夯加固前单桩竖向抗压静载试验结果汇总

2.3 超重型动力触探试验

试验采用落锤质量为120 kg，落距为100 cm，试验时落锤自由下落且连续贯入，锤击速率为15～30击/min。锤击数N120(简称动探击数)与贯入深度H关系曲线见图2。

图2 超重型动力触探试验N120-H曲线

由图2可知，所测桩体动探击数大都介于1～6，密实度为松散-稍密[18]。桩体顶部3 m范围内，动探击数一般为2～3，处于松散状态。

试验1区平均动探击数为4.53，密实度为稍密;试验2区和3区平均动探击数为5.65，密实度为稍密-中密。这说明成桩过程中，加筋滤网的侧向约束作用提高了桩体的密实度。

2.4 平板载荷试验

现场采用平板载荷试验方法，对1-3、2-1、3-3试验桩进行单桩平板载荷试验，得到荷载P-沉降s曲线及单桩抗压承载力特征值。试验加载方式采用慢速维持荷载法，荷载读数采用压力传感器测读，设置4只位移传感器测量加筋滤网碎石桩的沉降量。单桩平板载荷试验P-s曲线如图3所示。

图3 单桩平板载荷试验P-s曲线

满夯加固前的荷载与沉降关系曲线(P-s曲线)见图3(a)，试验成果汇总见表4。

碎石桩体形成后，上部约3 m范围内处于松散状态，静载试验受其影响无法准确表现出桩体的竖向承载力，因此，对试验区碎石桩(1-3、2-1、3-3)顶部进行满夯加固，加固单击能级为3 000 kN·m，击数6击。对满夯加固后的桩体进行了静载试验，荷载P与沉降s关系曲线见图3(b)。

2.5 试验结果分析

由图3(a)可以看出，试验区P-s曲线均没有明显的比例界限，为缓变型。由表4可以看出，试验2区桩体承载力特征值比1区大341 kPa，提高到2.4倍,说明荷载作用下，加筋滤网提供的侧向约束发挥作用，提高了桩体抗压承载能力。

当P>300 kPa时，相同荷载下，试验3区沉降量大于试验2区，且随着荷载P的增大，沉降差显著增大。当加筋滤网碎石桩直径由1 000 mm增大至1 200 mm时，桩体承载力特征值反而减小了226 kPa，说明加筋滤网对碎石桩的侧向约束作用存在尺寸效应。这导致加筋滤网对碎石桩承载力的贡献存在尺寸效应，当桩体直径d较大时(d≥1 200 mm)，加筋滤网开始裹不住碎石，加筋滤网对承载力的提高作用减小，碎石桩体发挥主要作用。

根据规范[19-20]，当P-s曲线呈缓变型时，复合地基增强体单桩的竖向抗压极限承载力可取桩顶总沉降量40 mm所对应的荷载值，因此，由桩顶至3d深度范围内碎石经3 000 kN·m能级强夯加固后，试验3区单桩竖向抗压极限承载力为2 955 kPa，单桩竖向承载力特征值取极限值的一半，则单桩竖向抗压承载力特征值为1 477.5 kPa，约为强夯加固前的4.1倍。这说明加筋滤网碎石桩(2～3)d深度范围内桩体密实度对单桩竖向承载力有显著影响，密实度越高，单桩竖向承载力越大。

3 加筋滤网包裹长度对碎石桩承载性能影响分析

3.1 有限元模型建立

为分析加筋滤网包裹长度对碎石桩单桩受力变形特性的影响，选取试验2区、3区的典型土层信息，建立加筋滤网碎石桩单桩有限元模型(见图4(a))。模型中土体采用Mohr模型，桩体采用弹性模型，模型底部设置水平和竖向位移约束，两侧设置水平位移约束，用土工格栅单元模拟加筋滤网，加筋滤网参数见表2，有限元网格划分见图4(b)。

图4 加筋滤网碎石桩单元体模型

3.2 计算结果分析

3.2.1 计算与实测P-s曲线对比

为对所建模型进行验证，在模型顶部分级施加荷载，并记录每级荷载下桩顶位移，作出P-s曲线，与现场载荷试验的实测P-s曲线对比(见图5)。

图5 计算和实测的P-s曲线对比

由图5可知，计算得到的桩顶P-s曲线与满夯加固前单桩载荷试验实测值较吻合，说明建立的数值模型能较好地模拟加筋滤网碎石桩的力学响应。

3.2.2 加筋滤网包裹长度对碎石单桩沉降的影响

加筋碎石桩桩体侧胀变形集中发生在桩顶至桩身一定深度处[21]。为研究加筋滤网的包裹长度对碎石桩单桩沉降及侧向变形的影响，选择加筋滤网的包裹长度分别为2d,4d,6d,8d及全长包裹进行计算，得到不同包裹长度下碎石桩单桩P-s曲线(见图6)及不同包裹长度对沉降影响的变化曲线(见图7)。

图6 不同包裹长度下碎石桩单桩P-s曲线

由图6可以看出，当荷载在0～100 kPa范围时，不同包裹长度下碎石桩单桩的P-s曲线变化规律一致，说明荷载较小时(P<100 kPa)，加筋滤网包裹长度对碎石桩单桩沉降几乎没有影响。在加载荷载至240 kPa时，当包裹长度由2d增大到8d，桩身沉降量由200 mm减小至172 mm，减小了14%，说明当荷载加载至一定程度时(P>100 kPa)，荷载越大，加筋滤网包裹长度对桩身沉降的控制效果越好。

由图7可以看出，图中3条曲线在包裹长度6d时存在拐点，当包裹长度>6d时，随包裹长度的增加，单桩沉降变化较小，加筋滤网对单桩的控制效果明显减弱。

3.2.3 加筋滤网包裹长度对碎石单桩径向变形的影响

通过记录不同包裹长度、不同深度处桩体的径向变形，得到包裹长度对桩体径向变形的影响曲线(见图8)。

图8 包裹长度对桩体径向变形的影响曲线

由图8可以看出，曲线均在深度2 m处存在拐点，即在2倍桩径深度处，桩体径向变形最大。当深度<2d时，桩体径向变形基本相同，与包裹长度无关，说明当P≥200 kPa时，自桩顶至2d深度处碎石桩已发生侧胀变形，该深度范围加筋滤网已充分发挥侧向约束作用。

当荷载P由200 kPa增加到250 kPa时，在(2～6)d深度范围内桩体侧胀变形增幅较大，在>6d深度范围侧胀变形沿深度变化较小，且不同包裹长度的桩体在>6d深度范围内变化趋势一致，说明随着荷载的增大，在6d深度范围内基本没有衍生新的侧胀变形，可认为侧胀变形的深度<6d，故当P=200～250 kPa时，对于HP470型加筋滤网，在满足承载力和变形的要求下，可选择包裹长度为6d作为最小包裹长度。

4 结 论

(1)对深厚海相淤泥质土地基采用预成孔加筋滤网碎石桩处理方法，经超重型动力触探、平板载荷试验检验，单桩竖向承载力、桩体密实度满足设计要求，单桩竖向承载力特征值约是普通碎石桩的2.4倍。

(2)加筋滤网对碎石桩的侧向约束作用、承载力贡献均存在尺寸效应。当桩体直径较大时(d≥1 200 mm)，加筋滤网对桩身碎石的侧向约束作用减弱，对承载力的提高作用减小，碎石桩体发挥主要作用。

(3)加筋滤网碎石桩在(2～3)d深度范围内桩身碎石密实度对单桩竖向承载力有显著影响，对由桩顶至3d深度范围内的碎石经3 000 kN·m能级强夯加固，单桩竖向承载力特征值较夯前提高约4.1倍。

(4)加筋滤网包裹长度对碎石单桩的沉降、径向变形的影响与竖向荷载大小有关。当竖向荷载P=200～250 kPa时，对于HP470型加筋滤网，在满足承载力和变形的要求下，可选择包裹长度为6d作为最小包裹长度。