深厚软土地区桩—网复合地基承载性能的有限元分析

余传波，宋 技，张 航，安保健，朱忠宁

(中铁一局集团 建筑安装工程有限公司，西安 710054)

0 引 言

我国正处于公路与铁路跨越式发展阶段，在我国沿湖及沿海地区存在大面积的深厚软土，在这些地区修建公路或铁路时存在地基沉降变形大、稳定性不足等问题，严重制约了工程的施工进度、成本与后期维护。

近年来，国内外众多学者对桩—网复合地基展开大量研究，并取得一定的成果。英国早在1995年建立了第一套运用于设计桩—网复合地基的“BS8006”规范[1],该规范介绍了桩—网复合地基的设计方法；饶为国[2]根据现有的工程经验及理论研究成果，定义了桩—网复合地基的概念，初步分析了其工作机理；徐超[3]通过室内的缩尺比例模型研究了桩承式加筋路堤中正方形布桩的桩帽净间距、路堤填土性质对土拱效应的影响；雷学文[4]通过有限元数值模拟的分析方法分析了桩—网复合地基在不同土工合成材料刚度、垫层厚度、桩体模量以及桩间距等变量条件下的承载性能；于进江[5]通过模型试验研究了两种不同桩间距下超大面积深厚软土桩—网复合地基的沉降规律；Han J[6]采用DEM离散元法对土工格栅加筋路堤与未加筋路堤进行对比研究，分析两种情况下的土工格栅的竖向和水平应力、弯拉应力和路堤沉降的变化规律。

现场试验与模型试验因受施工条件的影响很难有效开展深厚软土条件下的数据监测，且有限元分析方法大多未考虑排水固结条件下的地基沉降。结合杭州至海宁城际铁路工程盐官车辆基地深厚软土的软基处理工程，以室内模型试验为模拟工况，采用Midas GTS NX有限元软件进行分析。模拟排水固结条件下水泥搅拌桩-塑料排水板-土工格栅桩—网复合地基各个施工阶段，对比分析整个过程中沉降变化规律及承载力性能，有效的验证了室内模型试验的合理性，为实际类似工程提供理论支持。

1 模拟工况

模型试验中，土层自下往上依次为淤泥质软土地基、砂垫层、碎石垫层与填土。模型桩采用聚氨酯橡胶棒，在砂垫层与碎石垫层之间铺设聚乙烯三向拉伸土工格栅，并在模拟软土地基中插入塑料排水板进行排水固结。

有限元模拟上部加载时采用均布荷载方式，荷载大小30kPa,加载时间365d，分50段时长依次记录监测数据。模拟工况及模拟材料参数参考地勘报告与室内模型试验所得的参数。

2 有限元建模

2.1 计算模型尺寸与基本假定

建立的有限元模型尺寸以室内模型试验为依据，计算模型长×宽×高为1.6m×0.9m×1m,其它计算模型材料尺寸如表1所示，有限元模型如图1所示。

在均布荷载加载下，桩、土工格栅与塑料排水板采用各向同性均质弹性模型，不考虑土工格栅的线性影响与桩体的施工过程。淤泥质软土地基采用修正剑桥模型，上部垫层与填土采用Mohr—Coulomb模型。模型桩采用转动约束，土体与其他材料采用自动约束，并分三步进行分析，第一步为土工格栅与桩体初始应力分析，后续依次进行加载与静置分析。

表1 模型材料情况

图1 有限元模型

2.2 计算参数

根据工程地勘报告及室内模型试验的材料参数，有限元分析所选取的各参数如表2所示。

表2 土层与材料参数

2.3 有限元计算方案

对比分析桩—网复合地基、纯软土地基与仅进行桩基处理的地基三组方案，试验方案如表3所示。

表3 试验方案

3 计算结果分析

3.1 整体沉降对比分析

根据有限元计算三种方案的沉降随时间变化曲线(如图2)。可以看出在为期一年的加载时间里，仅加桩处理的软土地基(方案2)沉降量为0.105m，明显小于方案1中未经过地基处理的沉降量0.137m。而方案3中在垫层中加入土工格栅后，沉降量相较于方案2减小了0.012m，说明土工格栅能起到减小地基整体沉降的效果，这是由于土工格栅的网兜效应，将上部荷载更均匀的扩散至下部桩顶与相邻桩间土，使地基整体承担上部荷载，从而起到控制沉降的效果。

图2 地基整体沉降变化曲线

3.2 桩土差异沉降对比分析

根据方案2与方案3地基中部桩顶与桩间土的沉降量，取二者之间的差异沉降量，绘制差异沉降随时间变化曲线(如图3)。观察可知，仅加桩处理的方案2桩土差异沉降接近经过土工格栅加筋处理的方案3桩土差异沉降的两倍，说明土工格栅有效的减少了软土地基桩土差异沉降，从而提升路基的承载性能。

图3 桩土差异沉降变化曲线

3.3 孔隙水压力消散对比分析

孔隙水压力的消散过程能真实反映软土地基排水固结的情况，根据三种方案的孔隙水压力随时间变化曲线(如图4)可以发现，软土地基孔隙水压力在加载瞬间快速增大，并随着加载时间的增加而逐步减小，直至趋于稳定。说明加载过程中存在明显的孔压消散过程，且未经过地基处理的方案1孔压消散速度小于后两者。而在垫层中加入土工格栅能在孔压消散过程中提升消散速率，但效果并非十分显著。

图4 软土地基孔隙水压力变化曲线

3.4 桩土应力比对比分析

桩土应力比随加载时间变化曲线如图5所示，桩土应力比在加载初期逐步上升，这是由于加载初期模型桩弹性模量明显大于桩间土的弹性模量，使模型桩承担更多的上部荷载。但通过观察曲线可以发现，铺设土工格栅处理的方案3桩土应力比明显大于仅加桩处理的方案2，且上升速率也较方案2更加快速，进一步说明了土工格栅能有效的将上部荷载传递至桩顶，达到控制桩土差异沉降的效果，提升地基的承载性能。而随着桩顶上部荷载增大，桩体产生沉降，致桩土应力比逐步减少，直至趋于稳定。

图5 桩土应力比变化曲线

3.5 桩身中部轴力对比分析

桩身轴力能反映桩体在上部加载条件下的力学性能变化情况。通过分析方案2与方案3中部桩身轴力随加载时间变化的曲线可知(如图6)，在垫层中加入土工格栅可有效分担上部荷载至模型桩，因此方案2桩体轴力大于方案3，且方案3轴力上升速率更为明显，既有利于控制地基的沉降，也能减少桩土差异沉降。

图6 桩身轴力变化曲线

4 结 语

此次试验研究中部分参数的选择精确性需进一步提升，但对于软土地基的作用效果仍有规律可寻，得出如下结论：

(1)桩—网复合地基相较于传统的地基处理方法，通过传递上部荷载至模型桩顶部，增大了桩土应力比与桩身轴力，有效的减少了地基整体沉降与桩土差异沉降，且可缓解前期快速沉降的问题，便于施工控制。

(2)聚乙烯三向拉伸土工格栅有利于控制桩土差异沉降，加快软土地基孔隙水压力的消散，使桩土受力更加均匀，从而提升地基的承载性能。