桩网复合地基对公路软土地基沉降的影响研究

苏艳欢

（广西工程技术研究院有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

软土在我国分布广泛，尤其在一些滨江临海地区，公路修建不可避免地要穿过软土地区，但是软土地基具有工后沉降大，易发生不均匀沉降的特点，对软土地基的变形控制一直是公路设计中的难点。

关于软土地基的病害问题，邓少梅[1]、张建伟等[2]对软土地基的病害成因及常用工程措施进行研究，得出结论，在软土地区修建交通设施容易出现渗水、不均匀沉降以及开裂等工程病害，王迎丰等[3]对软土地基的加固进行研究，得出结论：在软土地基加固中可以使用水泥搅拌桩法、碎石桩法、土工合成材料法和排水固结法等对其工后沉降进行控制，从节约成本的角度考虑，强夯法是一种不错的加固方法。但是学者们对采用桩网复合地基结构以及对软土地基的加固研究相对较少，桩网复合地基的沉降研究鲜有报道。

基于此，该文通过室内模型试验对桩网复合地基的沉降规律进行研究，以明确振动次数，格栅层数、桩身刚度及振动幅度对软土地基沉降的影响规律，研究结果可为桩网复合地基的加固设计提供技术指导。

1 试验模型及加载方案

1.1 模型试验

使用相似原理进行模型试验研究，试验所用模型箱长、宽、高为2 m×2 m×2 m，模型试验用土全部来自于现场工点，模型用土从下往上依次为30 cm 厚的粉质黏土，75 cm 厚的淤泥质黏土，20 cm 厚的粉质黏土，试验所用各类土的力学参数见表1。

表1 模型用土力学参数

模型试验中的桩分为刚性桩和柔性桩。使用长1.00 m、外径50 mm、内径46 mm、弹性模量为80 GPa 的不锈钢桩作为模型试验中的刚性桩，使用长1.00 m、外径50 mm、内径46 mm、弹性模量为1 GPa 的PVC 管作为模型试验的柔性桩，具体模型试验示意图如图1 所示。

图1 模型试验示意图

1.2 加载方案

首先，在路基上施加静载，模拟列车自重对地基沉降的影响，然后施加不同频率和不同幅值的循环荷载，以模拟列车动载对地基沉降的影响，施加完动荷载后，继续持载一段时间后，加载下一工况[4-5]，模型试验荷载施加如图2 所示。

图2 循环荷载施加示意图

2 试验结果与分析

不同深度处地基沉降的变化如图3 所示，由图可知，随着振动次数增加，不同位置处地基土的沉降都在增加，且地基沉降随振动次数的变化可以分为2 个阶段，在前1万次振动时，地基沉降变形较快，但振动次数超过1 万次后，地基沉降变形速率显著减少，存在1 个临界振动次数，当振动次数小于该临界值时，地基沉降变形随振动次数增加快速增加，当振动次数超过该临界值后，地基沉降变形随振动次数增加逐渐减少，该临界值并不是固定不变的数值，随着地基土深度减少，该值逐渐增大，这主要是由于较深的地基土受到的动应力较小，地基土变形较小，但深度较浅的地基土受到的动荷载较大，土颗粒之间的相对位移并不能很快地稳定下来，因此深度较浅的地基土需要经受更多次数振动后，地基沉降变形速率才能逐渐降低，此外，深度越大的地基土其沉降变形越小，主要是深处地基土的沉降变形也累计反映在浅层地基土的沉降上，因此地基土深度越浅，其沉降变形越大。

图3 振动次数对沉降变形的影响

为了研究格栅层数对地基沉降变形的影响规律，对铺设了一层格栅和两层格栅工况下的地基沉降进行研究，不同格栅层数对地基沉降变形的影响如图4 所示，由图可知，随着格栅由一层变为两层，在相同位置处，两层格栅工况下的沉降变形更小。在路基顶面（d=0 m），一层格栅工况下的沉降变形为2.2 mm，两层格栅工况下的沉降变形为1.5 mm，减少了0.7 mm，但是在地基土较深的情况下（d=0.8 m），一层格栅和两层格栅工况下，地基土沉降变形差距仅为0.1 mm，由此可以说明，当格栅层数由一层增加至两层可以有效减少浅层地基土沉降，但是对深层地基土的沉降没有显著影响。这种现象主要是由于随着深度增加，动应力逐渐衰减，当深度较深时，动应力衰减很严重，格栅由一层变为两层并没有使土颗粒所受到的附加应力发生显著变化，因此增加格栅层数并不会对深层地基土的沉降变形产生显著的影响，随着格栅层数由1 层变为2 层，格栅对路堤土的约束作用增强，格栅的套箍作用显著，所以格栅由一层变为两层时，其路堤表面的沉降显著减少。

图4 格栅层数对沉降变形的影响

为了研究桩体刚度对地基沉降变形的影响，对刚性桩和柔性桩2 种工况下的地基沉降进行测试，桩体刚度对沉降变形的影响如图5 所示，由图可知，在相同位置处，使用刚性桩工况的沉降变形显著减少，如在路堤顶面处的沉降，使用刚性桩的沉降位移为2.0，但使用柔性桩的沉降位移增至4.4mm，沉降位移增加了2.4mm，同样地，在较深处的地基土，使用刚性桩工况下的沉降变形为0.5mm，但是使用柔性桩工况下的位移增至2.2mm，沉降位移增加了1.7mm，由此说明，桩体的刚度显著影响地基沉降，这主要是由于在受到动荷载作用后，较强的桩体刚度发生的变形较小，桩之间的土拱效应更强，桩间填土的附加应力增加较小，因此增大状体刚度可以有效减少地基沉降，因此在实际设计过程中，可以使用标号较高的混凝土进行施工，以提高桩体刚度，减少地基沉降。

图5 桩体刚度对沉降变形的影响

不同列车种类对路基施加的动荷载不同，为了研究动荷载幅值对地基沉降变形的影响，先进行振幅为3 kN 的加载试验，待变形稳定后再进行振幅为4 kN 的加载试验，2 种振幅下地基沉降变形的变化规律如图6 所示，由图可知，在3 kN 振幅下加载10 万次后地基沉降变形逐渐稳定，随后进行振幅为4 kN 的加载，地基沉降变形又增加，同样地，在连续加载工况下，地基土在刚开始的振动中变形快速发展，随着振次增加变形逐渐趋于稳定，在连续加载中地基土的变形与初次加载的变形规律相同。以路堤表面地基沉降变形为例，在振幅为3 kN 的工况下其沉降由0.7 mm 增至1.5 mm，增加了0.8 mm，当振幅增加为4 kN 时，其沉降由1.5 mm 增至3.0 mm，变形增加了1.5 mm，由此说明振幅的大小显著影响地基沉降变形的大小，对深度较深处的地基土，当振幅为3 kN 时沉降增加了0.2 mm，当振幅为4 kN 时，沉降也增加了0.2 mm，与路堤表面处的地基沉降相比，较深处的地基土沉降变形受振幅的影响较小。

图6 振幅对沉降变形的影响

采用桩网复合地基对软土地基进行加固后，在承受动荷载的过程中，桩的变形也至关重要，振动次数对桩身变形的影响如图7 所示，由图7 可知，在不同振动次数下，桩身应变都存在一个突变点，结合模型试验可知，该突变点正好位于粉质黏土与淤泥质黏土的交界处，为地层土质发生变化的点，由于粉质黏土的填筑密度较高且土体的抗剪强度更大，因此在粉质黏土层桩身应变随深度减少而基本不变，但在淤泥质黏土层，由于淤泥质黏土的密度较低且抗剪强度不大，土对桩变形的约束作用不显著，因此在淤泥质黏土层，桩身应变随着深度减少而快速增大。在同一位置处，随着振动次数增加，桩身应变在逐渐增大，主要原因是地基土沉降对桩产生下拉力，随着振动次数增加，地基土的沉降变形越大，对桩的下拉力就越大，因此桩身应变随着振动次数增加逐渐增加。此外，在同一位置处，桩身应变的增加速率逐渐减慢，与地基土沉降速率随着振动次数的变化趋势有相同的发展趋势。

图7 振动次数对桩身变形的影响

格栅层数对桩身应变的影响如图8 所示，由图可知，随着格栅由一层变为两层，桩身应变随即变小，主要原因在于增加了一层格栅后，格栅对垫层横向变形的约束增大，削弱了动应力向地基土中的传递，减少了地基土中的附加应力，减少了地基土沉降变形的同时减少了地基土对桩的下拉力，因此格栅由一层增加为两层后桩身应变变小。

图8 格栅层数对桩身变形的影响

3 结论

该文采用模型试验对桩网复合地基的沉降变形进行研究，明确了振动次数，格栅层数、桩身刚度及振动幅度对软土地基沉降的影响规律，主要得到以下3 个结论： 1）随着振动次数增加，不同位置处地基土的沉降都在增加，且地基沉降随振动次数的变化可以分为2 个阶段，当前1 万次振动时，地基沉降变形较快，但振动次数超过1 万次后，地基沉降变形速率显著变小。2）振动次数及振动幅值对软土地基沉降有显著影响，振动次数越多，振动幅值越高，地基沉降就越显著。3）增加桩身刚度、增加格栅层数可以有效的减少地基沉降，因此采用桩网复合地基结构对软土地基进行加固时，使用刚性桩并铺设2 层格栅可以减少沉降。