竹材加筋碎石桩可行性分析

尹鸿达，黄河，李检保，尹诚

（岳阳市公路桥梁基建总公司）

1 加筋碎石桩应用概况

在软土地基的处置中，碎石桩的应用较为广泛，但当软土强度较低时，在上部荷载作用下碎石桩的上部通常会发生鼓胀破坏，随着土工合成材料作为加筋材料的推广应用，加筋碎石桩在软土地基处置中应运而生。加筋碎石桩是在桩体的外侧包裹一层格栅套筒作为加筋层，从而限制碎石桩的侧向变形来达到提高桩基承载力的目的，软弱土地基中应用加筋碎石桩不仅可给软弱土提供良好的排水通道，加速软基的排水固结，而且还能提高地基承载力，是一种新型的软弱土地基加固方法[1]。

目前在碎石桩加筋中常用的土工合成材料是不可再生的化工产品，其生产将对环境造成污染，且成本相对较高，导致工程造价增加。目前人类的发展更强调人与自然的和谐相处，岩土工程领域也一直在探索确保工程质量及耐久性的前提下，用绿色环保材料代替传统的化工加筋材料；2013 年李广信教授[2]提出加筋材料有回归天然的趋势，并列举了四川某操场边坡使用竹材加筋的工程案例。

2 竹筋在土木工程领域的应用现状

近年来，我国越来越重视生态环境的保护并大力提倡低碳建筑，同时也出台了一系列推进环保材料推广应用的政策。在此背景下，从选材、施工使用直到废弃全生命周期均可实现与生态环境协调共存的竹材成为了研究热点，合理并适度利用竹材符合国家“绿色化”发展需要，具有重要的理论与工程实际意义。

我国竹类资源非常的丰富，竹子种植面积及产量均居世界首位，竹材与常规建材相比，其具有生长周期短，能耗低，堪称天然绿色的建筑材料，同时具有强度高，塑性好等优良的力学及物理特征，被土木工程师誉为“植物钢铁”。竹筋因其优良的力学特征及环保优点，已在结构工程领域广泛应用[3]，目前，在一些基坑挡墙及路基工程中也开始得以使用，党发宁等[4]提出竹筋格栅能取代土工格栅作为路堤加筋材料。

3 竹筋力学性能

为研究竹筋格栅筋材对碎石桩的效用，首先需对竹材的力学性能进行测试，测试其强度是否能满足规范对筋材力学性能要求，竹筋力学性能测试参照《建筑用竹材物理学性能试验方法》（JG/T199-2007）执行，试验选用竹龄分别为3 年，直径为60mm ～100mm，壁厚为4mm ～12mm 的竹子。

按照规范JG/T199-2007 制备试样，试验仪器采用美特斯CMT5105 型电子万能试验机，当试件发生2%伸长率时，试件的抗拉强度为220.9MPa ～273.6MPa，平均抗拉强度为251.3MPa；试验得到竹筋不同部位的抗弯强度值为112.2MPa ～123.05MPa；试验测得竹筋的抗剪强度在7.9MPa ～14.5MPa之间，平均抗剪强度值为11.0MPa。将伸长率为2%时的竹筋拉伸力值与规范GB/T17689-2008 中 型 号 为TGD80 及TGDG120 的土工格栅进行比对发现，竹筋的拉伸力指标值不仅能满足规范要求，而且有较高抗弯及抗剪强度，其性能优于传统筋材，因此从力学性能角度考虑，竹筋格栅套筒加筋碎石桩是可行的。

4 竹材加筋碎石桩承载机理

在荷载作用下，碎石桩周围的土体均处于三向应力状态，由于碎石桩桩体都是没有胶结能力的碎石填料，在竖向荷载作用下将会发生侧向滑移，而桩周土体一般为软弱土体，其强度较低，对碎石桩侧向的滑移约束力不够，所以桩体在竖向荷载下首先发生侧向变形，并通过侧向变形实现桩土间竖向变形协调。

鼓胀变形破坏是碎石桩最常见的破坏模式，设置竹筋格栅套筒对碎石桩进行围箍，可使格栅与土共同提供侧向约束力，从而使碎石散体填料等能成为桩体。由于竹筋格栅筋材的抗拉、抗弯强度较大，可有效避免碎石桩的鼓胀破坏，提高其极限承载力。

5 竹筋格栅耐久性及经济性分析

5.1 竹筋的耐久性分析

竹筋作为天然生物材料，将其在工程中应用，面临的最大问题为耐久性问题，国内外学者对此展开了相关的研究，目前的研究成果可以归为两类。

①基于固结理论，竹筋老化的过程也是软弱土固结稳定的过程，当竹筋老化时，土体也已固结稳定，如党发宁等[4]利用竹材加筋软土路堤时，发现在竹筋完全老化时，土体的安全性已达规范要求；

②通过化学药剂对竹筋进行防腐、防虫、防水等处理[5]，延长材料使用期限。竹筋格栅加筋碎石桩可综合考虑以上两种功效。

5.2 竹筋的经济性分析

我国的竹材资源丰富，总面积达到了538.10 万hm2，尤其是中西部山区，这些地区经济欠发达，运输条件受限，但却广泛分布着竹材。竹材的造价非常低，其综合成本约为1.8 元/m2，而一般的石化土工格栅其综合成本约为10 元/m2。文华[6]等将长为50m，宽为3.5m 的路基分别采用石化土工格栅加筋及竹筋格栅加筋的造价进行了比对，竹筋格栅可节省约2 万元投资。

将竹材作为土工加筋材料来代替传统的石化土工格栅，可以就地取材，施工方便，同时他不受工厂生产、道路运输、环境保护等外界因素限制，对应急处置，尤其是地震、洪水等不可抗力因素导致的道路破损等应急抢险具有显著优势，同时还可为中西部山区的精准扶贫提供一条产业扶贫之路，将天然绿色环保竹材替代化工筋材具有长远的意义。

6 结语

竹筋的力学性能满足规范对加筋材料的要求值，且优于目前工程领域广泛应用的石化加筋材料，实际工程中竹筋能满足岩土工程耐久性要求，且造价远低于石化土工合成材料，符合土木工程朝着“绿色化”方向发展的要求，具有重要的理论与工程实际意义。