桩承式加筋路堤沉降变形特性研究

郭香红

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

0 引言

桩承式加筋垫层法是在竖向采用桩体、水平向采用加筋复合垫层来联合对地基进行处理从而承受上部路堤传来的荷载的方法。20世纪80年代起桩承式加筋垫层法就在国外研究和应用[1-3]。桩承式加筋垫层法处理软土地基时，承载力高、沉降小、造价低，适合于公路、铁路、堤坝等柔性荷载下的地基处理，是一种在交通工程和水利工程中非常有应用前景的地基处理方法。在垫层中铺设1～2层加筋材料，可以获得较好的技术效果和较好的经济效益。

但是，目前桩承式加筋垫层法在工程中的应用尚处于不成熟阶段，设计上主要依靠经验[4]，存在过大的安全储备或过大的工后沉降等工程质量隐患。

本文通过有限差分软件FLAC3D对桩端、上部垫层和格栅部位进行局部分析，来研究桩承式加筋路堤沉降变形特性，并对加筋垫层中影响路堤沉降的因素进行了参数分析，就垫层厚度、垫层抗剪强度、垫层弹性模量、格栅抗拉刚度对桩承式变刚度复合加筋垫层路堤沉降规律的影响、桩承式加筋路堤沉降变形进行了研究。

1 数值模拟

为了能够反映现场实际情况，数值计算模型尺寸与现场实际几何条件保持一致。由于模型的对称性，分析中选择了路堤的半个横断面。软土厚度为12 m，压缩模量为4.0 MPa，半幅宽度为16.5 m，路堤高度为4.5 m，压缩模量为25 MPa，其中垫层0.5 m，路堤边坡的坡率为1∶1.5路堤地基土范围为路堤坡脚向外延伸30 m。模型中共6根桩，桩距3 m，桩径1 m，桩体打入坚硬的基岩。从路堤左侧到路堤中心分别为桩编号1～6。模型示意图如图1所示。

图1 模型示意图

图中：B为路面宽度；n为路堤边坡坡率；d为桩径；bn为桩净间距；h2为软土地基高度；h3为基岩厚度；s为桩埋入基岩的长度(嵌岩深度)；a为格栅间距；p为车辆荷载。

1.1 桩端沉降计算

靠近路堤中心的4号桩沉降较能反应出路堤整体的变形，单独对其进行分析，如图2所示。分析了桩4随着计算步数的增加，桩端沉降的变化。从图2可以看出，随着步数增加，沉降累加，最后都在-2.00e-03左右稳定下来。

图2 4号桩桩端沉降图

1.2 垫层沉降计算

同时，分析了桩4、桩5、桩6上部垫层的变形，如图3～图5所示。

图3 桩4垫层沉降图

图4 桩5垫层沉降图

图5 桩6垫层沉降图

分别计算了桩4、桩5和桩6随着计算步数的增加垫层沉降的变化。从中可以看出，随着步数增加，沉降累加，最后都稳定在-0.002左右。距路堤中心越远，桩端沉降越小，而桩5的桩端沉降最大。因为在建模过程中，固定了桩6右边的土层，所以当均布荷载施加时，挤压作用会对桩6的沉降产生一定的抵消。

2 参数分析

为了研究垫层厚度、垫层材料、格栅抗拉刚度对桩承式变刚度复合加筋垫层路堤沉降的影响，建立FLAC3D路堤模型，模拟不同工况条件下的路堤沉降变形。

2.1 垫层厚度对路堤沉降的影响

为了考虑垫层厚度对沉降的影响，垫层厚度分别取0.5 m、0.4 m、0.6 m进行计算。

如图6所示，考虑垫层厚度对桩端沉降曲线的影响，可以看出垫层厚度对于桩端沉降有减小的作用。在一定范围内，垫层厚度越小，路堤的沉降越小，垫层厚度宜取0.5 m。而距离路堤中心越远，垫层厚度对桩端沉降的影响越大。

图6 垫层厚度对垫层沉降的影响图

2.2 垫层弹性模量对路堤沉降的影响

为了考虑垫层弹性模量对沉降的影响时，垫层弹性模量分别取 10 MPa、15 MPa、20 MPa、26 MPa、30 MPa进行计算。

弹性模量对桩顶沉降的影响如图7所示，当土的弹性模量越大，且其增加趋势均减小，即当土模量到达一定范围时，其变化不大。当弹性模量与路堤填土相同时，沉降最大。

图7 弹性模量对桩顶沉降的影响

2.3 格栅抗拉刚度对路堤沉降的影响

在不同格栅抗拉刚度下，路堤桩顶面处桩间土竖向位移的变化如图8所示，因计算发现格栅抗拉刚度变化对此影响比较小，故仅给出格栅抗拉刚度为2×109Pa时与模量为2×105Pa时的计算结果，可知格栅抗拉刚度对于桩间土竖向位移的影响较小。

图8 抗拉刚度对桩顶沉降的影响

3 结语

本文结合桩承式加筋垫层法的已有理论研究结果，通过有限差分软件FLAC3D对桩承式加筋路堤沉降变形进行了研究，并分析了垫层和格栅对路堤沉降的影响。得到以下结论：

a）桩土间的差异沉降比较大。随着距路堤中心越远，桩土间的差异沉降也越大。

b）垫层厚度对于垫层沉降有减小的作用。垫层的弹性模量越小，沉降越大。

c）格栅模量变化对桩承式加筋路堤影响比较小，格栅强度对桩间土竖向位移的影响较小。