竹筋格栅套筒碎石桩复合地基承载变形特性研究

李检保 罗正东 谢测坤 贺敏 梁斌

摘要：

为响应国家“双碳”战略，促进水利及建筑业朝着绿色、低碳、可持续性方向发展，探索天然竹筋材料替代传统土工合成材料应用于软弱土地基的加固领域具有重要意义。通过室内模型试验，对竹材力学性能、竹筋格栅套筒加筋碎石桩复合地基的荷载-沉降变化规律、桩土应力分布规律、桩体应力传递规律、桩体破坏模式进行了研究。结果表明：竹筋力学性能不仅能满足规范对加筋材料的要求，还优于传统土工格栅；竹筋格栅全长加筋碎石桩对复合地基承载力的影响较半长加筋提升效果更为明显；竹筋格栅套筒可使桩土应力比显著增大，在一定程度上提高了碎石桩的荷载传递能力；此外，竹筋全长加筋碎石桩表现为摩擦端承桩的承载特性，而半长加筋碎石桩表现为端承摩擦桩的特性。研究成果可为竹筋格栅套筒加筋碎石桩的设计及施工提供借鉴和参考。

关 键 词：

加筋碎石桩； 竹筋格栅； 复合地基； 桩土应力比； 破坏模式

中图法分类号： TU473.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.019

0 引 言

碎石桩的承载力很大程度上取决于桩周土体提供的侧向约束力。当采用碎石桩复合地基处治水利、公路等工程领域的软弱土时［1-3］，在竖向荷载作用下桩体易因侧向约束力不足而发生鼓胀变形，导致复合地基破坏失效，从而危及上部结构的安全。为此，有学者提出采用土工合成材料对碎石桩进行包裹约束［4-6］，利用其抗拉性能提高桩体的侧向约束力，在保留碎石桩摩擦特性及加速土体排水固结的基础上，限制桩体鼓胀变形，从而大幅提高碎石桩的刚度及承载力［7-11］。

然而，土工合成材料是以高分子聚合物为原料制作而成，其生产成本较高，且生产过程会产生有害的气体和粉尘［12］。当前人类社会倡导人与自然和谐发展，中国也提出了“双碳”及“绿色化”的发展目标。因此，在确保工程质量的前提下，探索采用天然环保材料取代传统的土工合成材料用于软基加固领域，具有重要的理论及环保意义。

竹材是一种经济、高效、环保的绿色加筋材料。与土工合成材料相比，它具有更为理想的抗拉性能［13］。目前采用以竹材为原料制作竹筋格栅作为水平向加筋材料已在土木工程领域得到推广应用，并取得了良好的经济及环保效益［14-18］。但将竹筋格栅套筒作为竖向加筋体，在软弱土加固处置中进行应用还鲜见报道。

鉴于此，本文以竹筋格栅套筒加筋碎石桩复合地基为研究对象，从荷载-沉降变化规律、桩土应力分布规律、桩体应力传递规律以及桩体破坏模式方面展开研究，并与不加筋及土工格栅套筒加筋碎石桩进行對比，进而探讨竹筋格栅套筒在提高碎石桩承载力、减少复合地基沉降方面的可行性，为软弱土地基的加固处治提供理论指导和技术支撑。

1 试验设计及布置

1.1 试验概况

试验模型箱如图1所示，尺寸为1500 mm（长）×1500 mm（宽）×800 mm（高），长度与宽度均大于荷载板尺寸（D=240 mm）的6倍，满足模型试验边界条件的要求。模型箱侧面及底面由10 mm厚钢板焊接而成，满足试验对模型箱刚度的要求。

地基模型分为两层，下层为600 mm的软弱土层，上层为20 mm厚的砂垫层。碎石桩直径d取80 mm，桩长取600 mm，穿过软弱土层直接支承于模型箱的底部。荷载板直径D为240 mm，位于砂垫层表面，荷载板-碎石桩-模型箱底板三者中心共线，试验布置如图2所示。

1.2 试验设备及加载系统

试验加载装置为杭州邦威生产的平面结构加载试验系统，如图3所示，主要由回字形自反力加载框架、液压千斤顶、球铰、称重传感器及荷载板组成。

模型试验过程中，荷载板的荷载值与位移值通过称重传感器及位移传感器采集，同时在荷载板表面布置百分表对相应数据进行校对；桩体应力值、土压力值通过放置电阻应变式微型土压力盒进行采集；所有数据均通过型号为DH3816Y的静态应力应变测试分析仪输出。

1.3 试验材料

试验所用地基软土取自东洞庭湖河漫滩，整体呈黄黑色，通过土工测试得到其各项物理力学参数如表1所列。

JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》规定，碎石桩桩体材料粒径范围应控制在20～150 mm。本文综合考虑规范要求及相似理论，选用粒径为5～20 mm的灰岩角砾，其最大、最小干重度分别为18.1，15.5 kN/m3，成桩后相对密实度为0.5，重度为16.7 kN/m3。砂料采用河砂，其最大、最小干重度分别为16.5，14.2 kN/m3，成桩后相对密实度为0.6，重度为15.5 kN/m3。桩体碎石材料及褥垫层砂料集配曲线如图4所示。

将竹筋用作碎石桩加筋材料，首先其力学性能需满足规范对其强度的要求，为此对竹筋的抗拉强度进行了测试。试件的制作及试验程序的设计参照JG/T199-2007《建筑用竹材物理学性能试验方法》规范执行。试验所用楠竹竹材的龄期为3 a，直径50 mm以上，竹壁厚度5～12 mm，竹筋通过竹材加工而来，试验测得伸长率2%时竹筋的抗拉强度为73.2 kN/m，其抗拉强度远大于工程中常用的TGSG5045及TGSG5050的土工格栅，强度对比如表2所列。

已有研究表明［16］，当加筋套筒的网格尺寸小于碎石粒径时，对桩体鼓胀变形的限制作用和承载力的提升作用最为显著。此时，在荷载作用下竖向套筒可有效限制碎石从网孔中漏出，并在二者之间产生一定的机械咬合力。基于此，本文将加筋套筒网格尺寸设置为10 mm。同时，综合考虑相似原理及加筋效果，选用单肋宽度为8 mm、厚为1 mm的竹筋。同样基于相似原理，采用相同网格尺寸为4 mm×4 mm的塑料格网材料进行替换，拉伸强度T=6.5 kN/m。竹筋格栅套筒由竹筋通过设计裁剪、弯曲定形、扎丝绑扎编织而成，竹筋格栅套筒如图5所示。

1.4 试验过程

（1） 将体积较大的土块捣碎并清理土中杂物，随后将其摊铺均匀并适度风干，使土体含水率均匀，与目标含水率（44%）对比并确定需添加的水量，使用洒水壶均匀喷洒并搅拌均匀，最后用塑料薄膜密封保存，防止水分蒸发，将填筑土含水率调控在44%左右。

（2） 地基土填筑深度为600 mm，采用分层填土法进行施工，每层填筑高度为100 mm，各层填筑完后测量土体表面含水率并及时补充水分。填土过程中，人工压实挤密填土，确保每层填筑均匀。根据GB/T50123-2019《土工试验方法标准》测出填筑土湿密度为ρw=1.99 g/cm3，以此计算出控制土干密度为ρd=ρw/（1+0.01w）=1 381.9 kg/m3。最后将地基土静置一段时间（48 h）以减小扰动对土体的影响，尽可能使其满足正常固结条件。

（3） 碎石桩施工过程模拟实际工程中采用的沉管施工方法。软弱土填筑完成后，首先在设计桩位打入长度为60 cm、直径为8 cm的PVC管，形成桩孔。利用自制的取土器清除桩孔内部土体，并将加筋套筒包裹在PVC管外壁。

（4） 分批次向PVC管内灌入碎石制作桩体，每次灌入碎石量约为桩体高度的1/6，同时利用木棍振捣密实。最后，缓慢向外拔出PVC管，加筋套筒由于内部碎石颗粒及外部软土的摩擦作用，与PVC管脱离，从而完成碎石桩施工。施工过程需观察桩体的垂直度，确保成桩质量。

（5） 碎石桩施工完后，在其表面铺设2 cm厚的褥垫层，并在软土与褥垫层间铺设一层无加筋作用的无纺土工布，方便后续对碎石桩破坏形态的观测。

（6） 采用液压千斤顶对模型施加竖向荷载，实验过程中逐级等量的加大荷载，并按规范确定试验终止条件［19］。

1.5 试验分组

模型试验共分5组，试验分组如表3所列。其中，4组为碎石桩复合地基单桩载荷试验，分别为不加筋、土工格栅加筋、竹筋格栅全长加筋、竹筋格栅半长加筋4种碎石桩试验方式；一组为未经过处理的软基载荷试验。试验1作为其他试验的对比组，用以比较不同处治方式对软基加固的效果。试验2、3、4分别为不加筋、竹筋格栅加筋、土工格栅加筋3种加筋方式，用于探讨不同加筋材料的影响。试验2、3、5选取加筋长度为0、全长、半长进行对比试验，用于探讨竹筋格栅最佳加筋长度。

2 试验结果与分析

2.1 承载特性分析

通过载荷试验得到不同工况下的单桩复合地基荷载-沉降（P-S）曲线如图6所示。

从图6可以发现，未处理的软弱土地基在荷载作用下其沉降急剧增大，加载过程基本没有弹性阶段，当荷载达到10 kPa时，其P-S曲线已陡降。这表明未经过处理的天然软弱土地基在上部荷載作用下，通常会产生较大程度的塑性变形，进而导致地基快速的失稳破坏。采用未加筋碎石桩对软弱土地基进行置换处理后，承载力有所提高，在荷载接近25 kPa时P-S曲线出现拐点。采用竹筋格栅套筒半长加筋的碎石桩复合地承载力略大于未加筋碎石桩复合地基，在荷载接近30 kPa时P-S 曲线出现拐点。土工格栅套筒加筋碎石桩复合地基P-S 曲线较为平缓，当荷载接近70 kPa时发生破坏。竹筋格栅全长加筋的P-S 曲线在100 kPa左右出现明显转折点，此时沉降仅为20 mm，在这之后P-S曲线仍呈线性变化直至加载结束。

为进一步量化对比不同工况地基承载力的大小，在P-S曲线上选取沉降量为40 mm时对应的荷载大小作为地基的极限承载力［20］，如表4所列。

由表4可以发现：通过碎石桩加固处理后的复合地基极限承载力均有所提高，其中未加筋碎石桩处理后的复合地基承载力为36 kPa，而采用竹筋格栅全长加筋后的复合地基其承载力为144 kPa，提高幅度达到了300%，其效果优于土工格栅全长加筋。同时可发现，半长加筋对碎石桩承载力提升作用有限。这表明相比于传统土工格栅，竹筋格栅对碎石桩加固效果更好，处理后的地基承载力显著增大，沉降得到有效控制，试验验证了Ghazavi等［20］提出的通过提高加筋材料拉伸强度，可提高复合地基的承载力的观点。

2.2 桩土应力比分析

复合地基桩土应力比n随沉降（S/D）的变化关系曲线如图7所示，其中，S为荷载板的沉降值，D为荷载板的直径大小。

从图7可以发现，加载之初，地基还未发生较大沉降时，各工况加筋碎石桩的桩土应力比都较为接近，n值均处在3～6之间，此时桩体承受的荷载略大于桩周土承受的荷载。但随着位移的增加，加筋套筒对碎石桩的约束作用逐渐得以发挥，桩体分担的荷载逐渐增多，n值快速增大。竹筋格栅套筒全长加筋碎石桩复合地基在整个加载阶段，随着位移的增大，其n值始终呈现上升的趋势，加载结束时达到了30左右；土工格栅套筒加筋碎石桩复合地基的n值稳定在16左右，竹筋格栅套筒半长加筋碎石桩n值稳定在8左右，而未加筋碎石桩的n值增长幅度较小，最终稳定在5左右。

结果表明：竹筋格栅套筒对碎石材料的侧向约束作用使得桩体刚度进一步提升，加剧了应力集中现象，n值大幅提升，且相比于土工格栅套筒，其提升幅度更为明显。而竹筋格栅半长加筋的碎石桩桩体分担荷载能力有限，n值略大于未加筋碎石桩。这充分说明随着碎石桩加筋长度的增加，桩体将承担更多的上部荷载。

2.3 桩底与桩顶应力比分析

为研究桩体两端应力的变化规律，在桩顶及桩底中心处各设置一个土压力盒，得到不同工况桩底与桩顶应力比α随沉降（S/D）的变化曲线，如图8所示。

由图8可知，相同沉降时，碎石桩桩底与桩顶应力比α从大到小依次为：竹筋格栅全长加筋＞土工格栅加筋＞竹筋格栅半长加筋＞未加筋。竹筋格栅全长加筋在加载初期，α值逐渐增大，当S/D达到4%左右时，α值达到最大值0.82，之后随着位移的增大α值逐渐减小，当S/D达到10%时，α值下降到0.65左右，最后趋于稳定。土工格栅套筒加筋碎石桩α值随着S/D的增加而逐渐下降，当S/D接近5%时，稳定在0.53左右。竹筋格栅套筒半长加筋碎石桩的α值绝大部分小于0.5，最终稳定在0.30左右，与普通碎石桩差距不大。

试验结果表明，相比于工程中常用的土工格栅，采用竹筋格栅套筒加固后的碎石桩，其传递上部荷载的能力更强，可有效提升地基的承载能力。同时，半长加筋碎石桩在荷载作用下较早的发生了鼓胀变形，上部荷载主要由桩周土提供的侧摩阻力承担，表现为端承摩擦桩的性质，而全长加筋碎石桩在加载过程中α值始终大于0.5，桩端阻力远大于桩侧摩阻力，表现出摩擦端承桩的承载特性。

2.4 桩体破坏模式分析

为直观了解各工况桩体的破坏情况，试验完成后移除砂垫层及桩周软弱土，得到不同工况下桩体的破坏形态，如图9所示。

对于未加筋碎石桩，如图9（a）所示，随着上部荷载的不断增大，桩周土不能提供足够的侧向约束，在桩体上半部分（距桩顶1～4d长度范围内）发生了鼓胀变形，且鼓胀变形距桩顶约2d处达到最大，最终使得碎石桩及桩周土全面破坏失效。同时，由于未加筋碎石桩复合地基破坏后桩体与桩周土的刚度差异较小，二者之间基本没有沉降差。

土工格栅加筋碎石桩在桩周土及加筋材料的共同约束下，桩体鼓胀变形有所缓解，但桩体与桩周土之间过大的刚度差异使得二者之间产生了明显的沉降差。随着荷载的增大，桩周土体从弹性阶段进入塑性阶段，桩体在荷载作用下产生了明显的弯曲变形，如图9（b）所示。

对于竹筋格栅半长加筋碎石桩，其鼓胀变形区域下移，出现在桩体下半部分未加筋段，而采用竹筋格栅包裹的上半部分并未发生明显变形。同时，由于桩体上下两部分的刚度差异，上半部加筋段刺入未加筋段，形成类似于刚性桩复合地基的刺入变形。

采用竹筋格栅全长加筋的碎石桩如图9（c）所示。直至加载结束时，碎石桩桩体仍较为完好，未发生明顯变形，整体仍具有较强刚度，但竹筋格栅套筒中间部分竖向直筋发生断裂，这在一定程度上说明竹筋格栅套筒的约束力并未得到充分发挥，通过增加竖向直筋厚度或减小网格尺寸仍可提高桩体承载力。同时，由于桩体刚度远大于桩周软土，二者之间产生较大沉降差，垫层砂料向这一区域运动，将空隙填充，表现为桩体向上刺入砂垫层。

3 竹筋格栅耐久性分析

目前，将竹材应用于地基处理工程领域中面临的最大阻碍为竹筋的耐久性问题。关于竹筋应用于地基加固中的耐久性问题，目前的研究主要从以下3方面进行考虑。① 通过物理或化学手段对其进行防潮、防腐、防虫处理，从而延长竹筋耐久性。吕韬等［14］将处理过的竹筋用于边坡加固，该边坡从2002年至今已近20 a，位移基本处于稳定状态，外表无明显开裂现象，且竹筋保持完好。② 基于固结理论，竹材随时间逐渐老化降解的过程也是土体排水固结过程，党发宁等［15］在利用竹筋格栅加固软土路堤时，发现在其完全失效前的十余年内，路堤通过固结作用其稳定性已满足路基承载力要求。③ 竹材的辅助加固作用，陈俊等［16］采用土工格栅为主、竹筋格栅为辅对路堤进行加筋处理，在确保路堤稳定性的前提下，可减少土工格栅的用量。

综上所述，竹筋格栅加筋碎石桩综合考虑上述3种效用，经过防腐处理后的格栅套筒在地基中保存时间一般可达到20 a以上，在这一阶段桩周土通过排水固结可达到稳定状态，使得地基可满足工程设计的承载力要求。而当工程稳定性要求较高及所需加固年限较长时，可将竹筋格栅作为辅助加筋材料，进一步提升加筋软弱地基前期的稳定性。

4 结 论

（1） 试验研究表明，采用竹筋格栅全长加筋可有效提高碎石桩复合地基的承载力，其加筋效果优于传统土工格栅。而竹筋格栅半长加筋未能充分发挥套筒环向约束作用，对于地基承载力的提高作用有限。

（2） 复合地基的桩土应力比大小与加筋材料拉伸强度及加筋长度呈正相关，表现为竹筋格栅全长加筋＞土工格栅加筋＞竹筋格栅半长加筋＞未加筋，说明竹筋格栅可以较大程度提升桩体刚度。

（3） 加筋改变了碎石桩承载特性，竹筋格栅与土工格栅全长加筋碎石桩桩底与桩顶应力比值均大于0.5，表现为摩擦端承桩，且前者应力比略大于后者；普通碎石桩、竹筋格栅半长加筋碎石桩应力比值在0.5以内，表现为端承摩擦桩，上部荷载主要由桩周土提供的侧摩阻力承担。

（4） 随着加筋材料拉伸强度的增大，碎石桩的破坏形式从未加筋时的鼓胀破坏过渡到土工格栅加筋时的弯曲屈服，最后到竹筋格栅加筋时的向上刺入砂垫层破坏，表明桩体刚度增大的同时，破坏模式也相应发生了改变。

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（编辑：郑 毅）

Load-bearing deformation characteristics of gravel piles with bamboo-reinforced grid-sleeve

LI Jianbao1，2，LUO Zhengdong2，XIE Cekun2，HE Min3，LIANG Bin3

（1.Yueyang Roads and Bridge Group Co.，Ltd.，Yueyang 414000，China； 2.College of Civil Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China； 3.School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China）

Abstract：

In response to the China "dual-carbon" development strategy and to promote the development of water conservancy and construction industry in a green，low-carbon and sustainable way，it is proposed to use natural bamboo reinforced materials to replace the traditional geosynthetics in reinforcement of soft soil foundations.Through the indoor model test，the mechanical properties of bamboo were studied.The bearing characteristics of the composite foundation of bamboo-reinforced grid sleeve-reinforced gravel piles were also studied from four aspects：load-settlement variation law，pile-soil stress distribution law，pile load transfer law，and pile failure mode.The results show that the mechanical properties of bamboo can not only meet the requirements of the specification for reinforced materials，but also are better than the traditional geogrid materials.The full-length reinforced gravel pile with bamboo-reinforced grid has a more obvious effect on the bearing capacity of the composite foundation than the half-length reinforced one.The bamboo-reinforced grid sleeve can significantly increase the pile-soil stress ratio，which improves the load transfer capacity of ordinary gravel piles to a certain extent.In addition，the full-length reinforced gravel pile with bamboo exhibits bearing characteristics of friction end-bearing piles，while the half-length reinforced gravel pile show characteristics of end-bearing friction piles.The research results can provide a reference for the design and construction of bamboo-reinforced grid sleeve-reinforced gravel piles.

Key words：

reinforced gravel piles；bamboo-reinforced grid；composite foundation；pile-soil stress ratio；failure mode