基于模型试验的竹筋格栅加筋碎石桩承载特性研究

尹 诚，陈珊玲，谢测坤

（1、岳阳市公路桥梁基建总公司 湖南 岳阳 414000；2、湖南省交通运输厅交通建设造价管理站 长沙 410116；3、湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

加筋碎石桩是一种可靠、高效的地基加固方法，通过在桩体外侧包裹一层土工加筋材料，以提供额外的侧向约束限制其鼓胀变形，从而大幅提高地基承载力［1-2］。然而，土工加筋材料是以高分子聚合物为原料制作而成，成本偏高且生产过程会产生大量硫化物、氮氧化物及二氧化碳等，对生态环境会产生污染［3-4］。当前，人类社会倡导人与自然和谐相处，我国也提出“双碳”的绿色发展目标。因此，寻求成本更低、绿色环保的新型加筋材料对软土地基处理具有重要的理论及环保意义。

竹子具有强度高、韧性好的力学特性及生长周期短、再生能力强、分布范围广的特点，在土木工程领域被大量用作建筑材料使用［5-6］。由竹子制作而成的竹筋格栅也因其生态环保及造价低廉等优点，被逐渐应用于路基加固、边坡修复、基坑支护等工程领域，并取得了较好的社会及经济效益。作为一种可降解的植物筋材，竹子在土体中具有良好的耐久性，在一定时期内（10～20 年）能赋予土体所需的稳定性［7-8］。实际上，软土在一定时期内的稳定性正是软土处治技术设计的主要控制因素，由于连续的排水固结过程，桩周土的强度随时间而递增，所以在竹筋格栅降解失效之前，软弱土已完成固结，且碎石桩与桩周土体也已形成稳定的整体，使得竹筋格栅加筋碎石桩复合地基能满足《复合地基技术规范：GB∕T 50783—2012》对地基稳定性的要求［9］。然而，目前关于竹筋格栅加筋碎石桩承载特性的研究还鲜见报道。

基于此，本文以竹筋格栅加筋碎石桩复合地基为研究对象，拟通过室内模型试验，从荷载-沉降关系、极限承载力大小、桩土应力比变化规律及桩体应力传递规律等几个方面对其承载特性进行研究，并与不加筋、土工格栅加筋两种情况进行对比分析，进而探讨竹筋格栅替换土工格栅在提高碎石桩承载力、减少软基沉降方面的可行性，为竹筋格栅加筋碎石桩的应用提供理论指导及设计参考。

1 模型试验设计及布置

1.1 试验方案设计

依据《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》规定，借鉴已有的模型试验经验［10］，并结合洞庭湖湖区某软基处治工程实况，基于相似理论选取几何条件作为本次试验的控制参数，最终确定原型与模型几何相似比为1∶10。软基厚度为60 cm，碎石桩直径取8 cm，桩长为60 cm，长径比为7.5，桩距为24 cm。

模型试验分为4组，如表1所示。其中3组为碎石桩复合地基四桩载荷试验，分别为不加筋、土工材料加筋和竹筋格栅加筋3 种碎石桩处理方式，1 组为未经过处理的软基载荷试验。

表1 试验方案Tab.1 Test Plan

1.2 试验材料

地基软土选用洞庭湖枯水期河漫滩冲击沉积的淤泥质土，土体参数如表2所示。

表2 试验软土的物理力学指标Tab.2 Physical and Mechanical Indexes of Test Soft Soil

桩体碎石选用具有一定颗粒集配的灰岩角砾，粒径为5～16 mm。加筋套筒如图1所示，考虑到实际工程中土工格栅网格尺寸一般大于30 mm，试验中易导致碎石漏出，基于相似原理，采用相同网格尺寸为4 mm×4 mm的塑料格网材料进行替换，拉伸强度T=6.5 kN∕m。竹筋格栅套筒网格尺寸为10 mm×10 mm，采用单肋宽度为8 mm，厚为1 mm 的竹筋经设计裁剪、弯曲定形、扎丝绑扎编织而成，拉伸强度T=73.2 kN∕m，其强度远大于工程中常用的型号为TGSG5045 和TGSG5050 的双向塑料土工格栅，强度对比如表3所示。

表3 竹筋格栅与土工格栅的拉伸强度对比Tab.3 Comparison of Tensile Strength between Bamboo-reinforced Grid and Geogrid

图1 加筋格栅套筒示意图Fig.1 Schematic Diagram of Reinforced Grille Sleeve

1.3 试验布置

本次试验荷载板为边长400 mm，厚20 mm 的方形钢板，采用正方形形式布桩，碎石桩布置在边长400 mm 的方形区域中心处，桩体直接支承在模型箱底部。模型箱尺寸为1 500 mm（长）×1 500 mm（宽）×800 mm（高），由10 mm 厚钢板焊接加工制作而成，长度及宽度均大于荷载板边长的3 倍，满足试验的边界及刚度条件，模型试验布置如图2所示。

图2 模型试验布置Fig.2 Layout of Model Test （mm）

2 试验结果与分析

2.1 承载力特性分析

通过载荷试验得到不同工况下的四桩复合地基荷载-沉降曲线，如图3所示。

图3 载荷试验的P-s曲线Fig.3 P-s Curves of Loading Tests

采用杭州生产的平面加载试验系统施加竖向荷载，采用微型土压力盒及百分表监测试验过程中的应力及位移值，所有数据均通过型号为DH3816Y 的静态应力应变测试分析仪进行整理输出，模型试验的布置方式如图2所示。

可以看出，未处理软基在荷载作用下沉降急剧增大，荷载到达20 kPa 前曲线已经出现陡降，说明不经过处理的软基承载力极低，不能直接将其应用于实际工程。普通碎石桩复合地基在荷载接近25 kPa 时发生破坏，之后沉降量随荷载的增加而迅速增大；土工格栅加筋碎石桩复合地基在荷载达到60 kPa 时沉降量急剧增大，地基发生破坏，承载能力大幅降低；然而竹筋格栅加筋碎石桩复合地基的荷载-沉降曲线无明显拐点，整体曲线较为平缓，基本呈线性变化，直至加载结束。

为进一步量化对比不同工况地基承载力的大小，在荷载-沉降曲线上选取沉降量为40 mm 时对应的荷载大小作为地基极限承载力［11］，如表4所示。

表4 不同工况下地基极限承载力Tab.4 Ultimate Bearing Capacity of the Foundation under Different Working Conditions

对于未加筋碎石桩、土工格栅加筋碎石桩、竹筋格栅加筋碎石桩3种地基处理方式，沉降量为40 mm时对应的地基极限承载力分别为38 kPa、58 kPa、132 kPa。表明碎石桩有着较好的置换增强作用，经过碎石桩处理后的软基，承载力较处理前提高了123.5%。土工格栅加筋碎石桩较普通碎石桩承载力提高了52.6%，竹筋格栅加筋相比普通碎石桩承载力提高了247.4%。结果表明：采用力学性能更为优越的竹筋格栅加固碎石桩对复合地基的承载力提升效果更为明显，处理后的地基沉降量可以得到有效控制。

2.2 桩土应力比分析

土压力盒埋设位置如图2 所示，测得桩顶平面处桩端、桩周土体的应力值，将其进行比较得到复合地基桩顶处的桩土应力比，如图4 所示，图中s为荷载板的沉降值，D为荷载板的边长。

图4 复合地基桩土应力比曲线Fig.4 Pile-soil Stress Ratio Curves of Composite Foundation

在试验加载过程中，竹筋格栅加筋碎石桩复合地基桩顶平面处桩土应力比基本维持在15.0，为普通碎石桩（4.0）的3.75 倍，为土工格栅加筋碎石桩（11.0）的1.36 倍。结果表明，利用碎石桩加固天然软基后，由于桩体碎石自身的刚度远大于周围土体，从而使得应力分布呈现出在桩顶集中的现象，在此这基础之上，加筋碎石桩中使用的竹筋格栅其抗拉强度大于土工格栅的抗拉强度，对碎石材料的侧向约束作用使得桩体刚度进一步提升，加剧了应力集中，桩土应力比得到进一步提升。

2.3 桩体应力传递

为研究桩体应力随深度改变而变化的规律，引入桩体应力传递系数的概念，其定义为桩底应力与桩顶应力大小的比值。在桩顶及桩底中心处各设置一个土压力盒，得到桩体应力传递系数随位移（s∕D）的变化曲线，分析结果如图5所示。

图5 桩体应力传递系数曲线Fig.5 Stress Transfer Coefficient Curves of the pile

竹筋格栅加筋碎石桩复合地基在加载初期，桩体应力传递系数大于0.8，随着位移的增大，桩体应力传递系数逐渐下降，当位移s∕D达到10%时，桩体应力传递系数下降到0.65 左右，最后趋于稳定。土工格栅加筋碎石桩复合地基的桩体应力传递系数整体呈下降趋势，最终稳定在0.38 左右。普通碎石桩复合地基在位移s∕D小于5%时，桩体应力传递系数均匀降低，当s∕D大于10%后，其值逐渐稳定在0.24 左右。结果表明，利用竹筋格栅及土工格栅套筒对碎石桩进行加筋处理，一定程度上可改善未加筋碎石桩荷载传递能力较差的缺陷；相比于土工格栅，竹筋格栅能大幅提高桩体刚度及承载力、并限制桩体鼓胀变形，将上部荷载传递到更深、更广的地基之中，有效提升地基的承载力。

3 结论

本文针对竹筋格栅在软弱地基处治领域中的应用，设计完成了4组室内模型载荷试验，探讨了竹筋格栅代替土工格栅对碎石桩加筋复合地基承载特性的影响，得出如下几点结论：

⑴碎石桩有着较好的置换增强作用，可提高软基承载力，当荷载较大时碎石桩易发生破坏，但加筋处理可有效提升碎石桩整体刚度及地基承载力。

⑵实验研究表明，土工格栅加筋碎石桩较普通碎石桩承载力提高了52.6%，竹筋格栅加筋相比普通碎石桩承载力提高了247.4%，相比于土工格栅套筒，竹筋格栅套筒对碎石桩的加固效果更为理想。

⑶竹筋格栅套筒加剧了应力集中，使得桩土应力比显著增大，同时在一定程度上改善了普通碎石桩荷载传递能力较差的缺陷；而且竹筋格栅套筒碎石桩可有效将上部荷载传递到更深、更广的地基土之中，经过加固处治后的碎石桩表现出类似摩擦端承桩的承载特性。

通过研究发现，竹筋格栅作为天然环保的新型绿色加筋材料，不仅符合《土工合成材料塑料土工格栅：GB∕T 17689—2008》对筋材力学性能的要求，而且加固效果明显优于目前广泛应用的土工格栅加筋材料，是未来加筋碎石桩复合地基新的发展方向。