筋箍桩复合地基技术在某渣土堆填工程中的应用研究

2021-09-29康三月邱贞波杲加俊李恒恒

水利规划与设计 2021年9期

康三月，邱贞波，杲加俊，李恒恒，徐辉

(1.浙江省隧道工程有限公司，浙江杭州 310013；2.浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州 310018)

1 概述

复合地基作为一种有效的地基处理技术，能充分发挥天然地基土的承载性能、有效协调地基的沉降变形，在国内外工程实践中被广泛应用。碎石桩因具有经济、环保等优势而常被用作复合地基的竖向增强体。然而，在不排水抗剪强度较低的软土地基中，由于周围土体的侧向约束不足，碎石桩常发生鼓胀破坏[1]。为解决该问题，Van Impe[2]提出了筋箍桩的概念，即采用土工合成材料对桩体进行围箍，限制桩体的侧向鼓胀，从而可有效提高桩体承载能力。

目前，筋箍桩复合地基技术一直是国内外学者研究的热门课题。Kwa等[3]通过模型试验研究了筋箍桩加固软黏土的性能，发现筋箍桩的极限承载力是普通碎石桩的1.6倍；Gu等[4]通过室内模型试验发现筋箍桩的最优筋箍深度为桩体直径的3～4倍；Yoo & Lee[5]通过试验研究了筋箍桩改善软土承载力及降低沉降的性能，发现筋箍段所提供的额外约束可大幅减少软基沉降，Kadhim等[6]得出了类似的结论；杨有海[7]以研究加筋土强度为基础，基于Brauns法建立了筋箍桩承载力计算模型，根据极限平衡理论，推导出单桩极限承载力计算公式，对筋箍桩复合地基的理论研究起到推动作用；陈昌富等人[8]依据Mohr-Coulomb屈服准则，将圆孔扩张理论引入到筋箍桩复合地基的承载力计算中，并且同时考虑土体自重，分析了塑性区半径随深度的变化规律，得到了筋箍桩复合地基承载力计算公式；Gao等[9]通过PLAXIS 2D软件研究了筋箍桩在某路基工程中的应用，发现在桩顶以下3倍左右的深度范围内对桩体进行筋箍，可有效减少路基沉降。综上所述，国内外针对筋箍桩复合地基技术开展了较多理论和试验方面的研究，但关于该技术在竖向荷载大且分布不均匀的大面积堆填工程中的应用研究尚处于空白。

有鉴于此，本文以浙江某渣土堆填场地为工程背景，对筋箍桩复合地基技术在该场地地基加固中的可行性进行了分析，以期为工程实践提供参照。主要开展了以下工作：①结合前人提出的单桩极限承载力以及复合地基及点承载力解析解，计算了设计方案中的地基极限承载力；②采用PLAXIS 2D软件计算了设计方案中的地基沉降；③对设计方案中的施工间歇期进行了优化。

2 工程概况

图1 工程地质剖面图

待填渣土主要来源于工程弃土、削坡土石方，其中工程弃土占比最大，约占填土总量的65%～75 %，以黏性土为主。堆填方案如图2所示，一期工程堆填总高度为10m，分5个阶段施工，每阶段需要完成2m高度的堆填量，堆填坡度为1∶3。总工期5个月，各阶段施工期为10d，每层堆填完成后停工10d待沉降稳定后进行下一阶段施工。

图2 渣土堆填示意图

该地区软土地基天然极限承载力极低，为60～70kPa，无法直接进行堆填，为确保一期堆填工程的顺利实施，需对天然地基进行加固处理。设计方案中拟采用筋箍桩+水平垫层的处理方案对该场地进行加固，方案示意图如图3所示。其中，桩径1.0m，桩间距2.5m，桩长10m，筋箍深度为3倍桩径，桩体按照梅花形布桩，桩土置换率为0.15。桩顶铺设0.8m厚度的水平垫层，垫层中埋设两层土工格室，格室高度为0.1m。

图3 地基加固方案示意图

3 计算模型和参数取值

3.1 模型建立

采用有限元程序PLAXIS 2D分析渣土堆填施工过程中，复合地基的承载力及沉降是否能够达到工程设计要求，并对施工过程进行优化设计。有限元模型如图4所示。土体、桩体、土工格栅及水平加筋体均采用15节点平面应变单元进行模拟，本构模型选用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。堆坡中心高10m，底部水平垫层厚约0.8m，垫层两侧比堆坡底部宽2m，下部软土厚10m，持力层厚10m，因此模型总高度为30m；堆坡顶宽20m，底部宽80m，边坡坡度为1∶3，为了削弱模型边界对模型工作性状的影响，路堤两侧计算宽度各为22m，因此模型总宽度为124m。

图4 有限元计算模型

在模拟土工格栅与碎石桩及周围土体的接触时，采用分离式方法进行处理[10]，接触单元通过参考已有经验[11]选取合适的界面强度折减因子(Rinter)模拟两侧接触面的摩擦效应。建模中采用标准边界约束条件，即模型四周固定水平方向位移，底部固定水平和竖向位移。排水边界设定为模型左右两侧及底部排水选项关闭，地基表面水平方向和垂直方向为渗透边界。

3.2 参数取值

表1 岩土体参数取值

(1)

式中，Kp—被动土压力系数；εa—格室破坏时的轴向应变；M—轴向应变为εa时，格室的割线模量，kPa；D0—格室初始时的单孔直径,m。

格室复合体的弹性模量可以通过以下公式进行计算：

(2)

(3)

4 结果及分析

4.1 承载力分析

根据赵明华等[14]推导出的单桩极限承载力公式(4)计算地基中心处桩体的极限承载力Ppf，再根据杨宇[15]提出的复合地基极限承载力计算公式(5)计算加固后的地基极限承载力Pcf。

(4)

式中，h0—桩体破坏长度,m；R—桩的半径,m；φp—碎石内摩擦角,(°)；γ—地基土的重度,kN/m3；z—计算深度,m；c—地基土黏聚力,kPa；Kp—被动土压力系数，Kp=tan2( 45°+φs/2)，φs—地基土内摩擦角,(°)。

Pcf=k1λ1mPpf+k2λ2(1-m)Psf

(5)

式中，Psf—有水平加筋时桩间土的承载力极限值；k1—修正系数，表征散体材料桩实际承载力极限值与单桩承载力极限值的差异性；k2—修正系数，表征桩间土实际承载力极限值与原地基承载力极限值的差异性；λ1、λ2—系数，分别表征散体材料桩和桩间土强度极限值的发挥程度；m—桩土面积置换率；Ppf—有水平加筋时散体材料桩的承载力极限值，kPa。

根据式(4)计算得到单桩极限承载力Ppf为994.60kPa，将计算得到的Ppf带入式(5)计算得到加固后的复合地基承载力为385.36kPa，较未加固之前的天然地基极限承载力提高了5倍，能够满足一期堆填工程最大堆填荷载180kPa的要求。

4.2 沉降分析

渣土堆填过程中地基中心处孔隙水压力变化趋势如图5所示，施工阶段由于上部荷载的逐渐增加，地基土体中的孔隙水来不及排出，孔隙水压力急剧上升；在施工间歇期，上部荷载不再增加，孔隙水逐渐排出，孔隙水压力逐渐消散。

图5 地基中心处孔隙水压力随堆填过程变化

渣土堆填过程中地基中心处沉降变化趋势如图6所示，从图6中可看到，当渣土堆填完成时，即第5次堆填结束，地基中心处沉降为25.4cm；在工后阶段，即第5次堆填完成后45d的固结过程中，地基中心处沉降增长到26.5cm，趋于稳定。

渣土堆填完成50d后，地基表面沉降分布如图7所示。从图7中可以看到，在整个堆填区域，地基表面的沉降分布与上部填土厚度呈正相关，即中心处的沉降最大，达到28.4cm，边缘处的沉降最小，为10.8cm，两者沉降差为17.6cm。此外，从沉降分布曲线可以看出，桩土差异沉降为1.0～2.0cm。

图7 堆填完成后地基表面沉降分布

目前，国内外有很多在软土地基进行堆山造景的工程案例[16- 17]，与本文渣土堆填工程相似。因此，渣土堆填过程中的地基沉降标准可参照堆山工程地基沉降控制经验[18]，即第1堆载阶段沉降速率不大于5mm/d，第2及后续堆载阶段沉降速率不大于l0mm/d，当沉降速率到达该指标时，应停止施工或放缓施工速度，待地基土体沉降速率降低到限制范围内再继续施工。本工程渣土堆填过程中，各施工阶段的地基平均沉降速率见表2，由表2可见，各施工阶段的平均沉降速率符合沉降控制要求。

表2 各堆填阶段地基沉降平均速率单位：mm/d

4.3 施工过程优化

采用不同施工间歇期时地基中心处的孔隙水压力随时间变化如图8所示。从图8中可以看到，当施工间歇期为10d时，路基土体中孔隙水压力峰值为9.80kPa；当施工间歇期减小5d时，孔隙水压力峰值为9.95kPa，较未减小时增大了1.5%；当施工间歇期延长5d时，孔隙水压力峰值为9.75kPa，较未延长时减小了0.5%。可以看到，施工间歇期的延长可以略微降低施工过程中土体内部孔隙水压力。

图8 不同施工间歇期地基中心处孔隙水压力变化

采用不同施工间歇期时地基中心处的沉降随时间变化如图9所示。从图9中可以看到，第5次填筑完成时，施工间歇期减小5d和延长5d所对应的沉降量分别为25.4、25.6cm，与未延长时相比分别减小了0.05%和增大了0.01%；在工后阶段，施工间歇期减小5d和延长5d所对应的沉降分别为0.677、0.653cm，与未延长时相比分别增大了2.3%和减小了1.3%。可以看出，施工间歇期的延长会促进土体在施工阶段的固结，从而使得施工阶段的沉降略有增加，工后阶段的沉降略有减小。