深厚软土桩网复合地基土工格栅变形分析

王 寒 冰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)



深厚软土桩网复合地基土工格栅变形分析

王 寒 冰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

通过监测广东潮汕车站深厚软土地基沉降断面，建立了全断面有限元数值模型，分析了土工格栅在上部荷载作用下的拉力变化与变形大小，结果表明，土工格栅竖向位移沿整个路堤呈“盆形”分布，随着土工格栅刚度的增加，格栅拉力逐渐增大，拉力在桩帽边缘处最大，桩间次之，桩帽中心处土工格栅拉力最小；粗颗粒的垫层材料可以限制土工格栅的变形，进而均匀土工格栅拉力。

桩网复合地基，土工格栅，垫层，拉力

桩网复合地基是由桩、网、土三者协同作用、共同承担荷载的人工地基[1-4]。土工格栅作为一种可以调整荷载、提高地基承载力、减小沉降的方法，广泛应用于实际工程中，国内外学者对其进行了大量的研究。Brand[1]研究分析了土工格栅加筋垫层分散荷载效率。Pham[3]通过数值分析了土工格栅的荷载传递效率与不均匀沉降成比例。饶为国[4]分析了土工格栅的拉力作用及其发挥程度。本文针对采用有限元数值模拟软件，对深厚软土层建立平面应变等效模型，系统分析了土工格栅在上部荷载作用下的拉力变化，变形大小等，为桩网复合地基的设计施工提供参考依据。

1 土工格栅变形分析

1.1 土工格栅的竖向位移

通过有限元数值模拟，可以得到不同填筑高度，土工格栅随地基变形产生的竖向位移以及土工格栅拉力沿整个路堤的横向分布曲线，如图1所示。土工格栅在上部荷载的作用下，沿路基宽度变形中间大两边小。桩帽与桩间土刚度不同，导致位移变形呈台阶状变化，桩帽可以限制桩顶上刺入，同时发挥其兜提作用减少了填料颗粒向桩间的过度挤入，使桩帽分担大部分的荷载，减少桩土的相对位移。

1.2 桩帽及桩间距对格栅变形的影响

由图2可以看到，随着桩帽尺寸的增大，格栅的变形和拉力都逐渐减小，且变化幅度较为均匀。因此分析认为，桩帽可以起到均匀土工格栅拉力与变形的作用。

图3为不同桩间距下土工格栅的竖向位移分布曲线。可以看到，当桩间距s=2.0 m时，土工格栅的竖向位移最大值及竖向位移差为32.79 cm和1.6 mm，当桩间距s=4.0 m时，土工格栅的竖向位移最大值及竖向位移差为41.87 cm和46.4 mm。桩间距增大，土工格栅在桩顶及桩间处的竖向位移差也随之增大。

2 土工格栅受力分析

2.1 填土荷载作用下土工格栅拉力分布

由图4可以看到路堤填筑高度越大，土工格栅拉力也越大。当填筑高度H=0.7 m时，土工格栅的拉力最大值只有0.65 kN/m，随着填筑高度的增加稳定增长，当路堤填筑高度达到6.2 m并经过一年的放置期后，土工格栅的拉力达到稳定值18.17 kN/m。土工格栅的拉力沿整个路堤横向呈“波状”起伏分布。随着路堤填筑高度的增加，路堤边坡坡肩逐渐向中心处移动，土工格栅拉力的峰值也随之逐渐向路堤中心移动，分析可知，土工格栅拉力在路基边坡坡肩处最大，路基中心处次之，路基边坡坡脚处为零。结合图5可知，由于桩土相对位移，造成褥垫层填料颗粒的滚动调整，土工格栅在一方面会限制桩土相对位移造成的桩帽的上刺入变形，进而自身也会产生竖向差异变形，在填土荷载的作用下，土工格栅在桩间处会呈悬索状下凹，两侧桩帽边缘作为约束端会发生应力集中，分析也表明，在桩帽边缘附近土工格栅拉力最大，桩间处拉力次之，桩帽中心处拉力最小。

2.2 刚度及垫层材料对土工格栅拉力分布的影响

从图6可以看到，随着格栅刚度的增加，格栅拉力逐渐增大，拉力在桩帽边缘处最大，桩间次之，桩帽中心处土工格栅拉力最小，且随格栅刚度的提高，桩帽中心处土工格栅拉力开始时增幅较小，往后逐渐变大，桩帽边缘及桩间处开始时增幅较大，往后逐渐减小。

分析图7可知，随着垫层内摩擦角的增大，桩帽中心、桩帽边缘以及桩间处格栅拉力都有所降低，表明垫层厚度较大时，使用粗颗粒的垫层材料可以限制土工格栅的变形，进而均匀土工格栅拉力，效果明显。因此在进行加筋垫层设计时，配合一定的垫层厚度来选择合适的垫层材料，对于土工格栅性能的发挥很重要。

2.3 桩帽及桩间距对土工格栅拉力分布的影响

图8为路堤中心处桩帽上土工格栅拉力的分布曲线。随着桩帽尺寸的增大，桩帽边缘处以及桩帽中心处格栅拉力都逐渐减小，桩间处格栅拉力却逐渐增大，且变化幅度较为均匀，可知桩帽尺寸较大时，土工格栅拉力的分布趋势为，桩帽边缘处最大，桩间次之，桩帽中心处最小。

由图9可以看到，随着桩间距的增大，土工格栅应变也逐渐增大，但是即使桩间距为4.0 m时，土工格栅的最大应变也只有1.26%，因此桩网复合地基中土工格栅的变形十分有限。

3 结语

综合分析可知，土工格栅在上部荷载的作用下，沿路基宽度变形中间大两边小，格栅的拉力沿路基宽度方向呈“波状”起伏分布，在路基边坡坡肩处最大，路基中心处次之，路基边坡坡脚处为零。土工格栅的拉力与其抗拉刚度紧密相关，随着土工格栅刚度的增加，格栅拉力逐渐增大，拉力在桩帽边缘处最大，桩间次之，桩帽中心处土工格栅拉力最小。粗颗粒的垫层材料可以限制土工格栅的变形，进而均匀土工格栅拉力，效果明显。管桩顶部设置桩帽可以起到均匀土工格栅拉力与变形的作用，同时选择合适的桩间距对土工格栅性能的发挥很重要。

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Analysis on geogrid deformation of deep-soft soil pile-net composite foundation

Wang Hanbing

(ChinaRailway4thSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430063,China)

Through monitoring deep-soft soil foundation settlement section of Chaoshan station in Guangdong province, the paper establishes whole-section finite element numerical model, analyzes the pulling alteration and deformation of geogrid under upper loading action. Results show that: vertical displacement of geogrid is basin-style distribution along the embankment; With the geogrid rigidity increasing, the geogrid pulling force is gradually increasing; the maximum pulling force is at the pile cap; the medium pulling force is between piles; the minimum pulling force is at the pile cap center; coarse cushion material can limit the geogrid deformation and balance geogrid pulling force as well.

pile-net composite foundation, geogrid, cushion course, pulling force

1009-6825(2017)10-0081-03

2017-01-22

王寒冰(1986- )，男，工程师

TU441.6

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