桩与土工格栅加筋垫层联合作用对高速公路软土地基的加固效果

1、桩与土工格栅加筋垫层联合作用对高速公路软土地基的加固效果摘要：随着社会的不断发展，交通业的发展也越来越快。在高速公路的建设中，施工过程常常会遇到一些软土地基，而这些地基必须经过加固处理才能进一步进行公路的施工。本文主要是研究桩与土工格栅加筋垫层联合对高速公路软土地基的加固效果，主要采用的是平面应变弹塑性有限元方法，并建立路基的二维有限元模型进行了数值的计算。有限元分析的结果表明：桩与土工格栅加筋垫层联合能够有效地控制公路软土地基的不均匀沉降，并且通过加密路面范围内的桩间距能够有效地减小路堤的沉降以及改善路面的不均匀沉降。关键词：高速公路；软土地基；有限元分析；桩与土工格栅加筋垫层；加固随着社会

2、经济的不断发展，交通业的发展也越来越快。但是，在高速公路修建的过程中，遇见大面积且有一定深度的淤泥或是淤泥质土等高压缩性软土路基是不可避免的。因此，为了保证高速公路的稳定性及承载力，必须对软土地基进行处理加固。目前，桩与土工格栅联合作用于高速公路软土地基的加固已经得到了广泛的应用，它相对于一般的地基处理方法而言，具有科学、合理、成本较低等特点。本次研究主要是采用有限元方法，分析桩与土工格栅加筋垫层联合作用于高速公路软土地基的加固效果。 一、桩与土工格栅加筋垫层处理技术 桩与土工格栅联合处理软土地基是指在采用群桩基础竖向加固软土地基的同时，在桩顶上再铺设土工格栅加筋垫层，从而形成平铺加筋群桩复合

3、地基。采用桩与土工格栅加筋垫层处理软土地基主要是利用土工格栅的水平加筋作用提高地基的稳定性并减少其不均匀沉降。采用这种方法进行软土地基处理的时间较短，但是其作用机理复杂。其主要作用机理可以概括为以下几个方面： (1)土工格栅加筋垫层的水平增强作用 在土工格栅加筋垫层中，因为两种材料的弹性模量存在的很大的差异，所以，在它们共同受力的情况下，因为变形的不一致就会引起两种材料相互错动的情况出现，这时，土筋之间就会产生很大的摩阻效应。这样就提高了加筋土体的整体刚度及强度，也能够提高地基的承载力并减少变形。 (2)桩复合地基竖向增强作用 若是单纯的采用土工格栅加筋垫层则只能改善浅层软土的外部受力环境，从

4、而提高地基的承载力，而在软土地基中设置了桩基础则可以改善软土本身的物理力学性能，而且能够与土体形成具有很高承载力的复合地基。 (3)桩与土工格栅加筋垫层联合组成约束调节与支撑体系 土工格栅加筋垫层的存在能够有效地调节桩土的应力比，约束桩顶的膨胀变形，而且能够让桩间土体的承载力得到充分的发挥。从而形成了一个约束调节与支撑于一体的体系。 (4)桩与土工格栅加筋垫层共同构成具有良好性能的排水体系 在软土地基的处理中，设置桩基础能够改善软土层的排水条件，减少渗径，在荷载作用下，孔隙水通过桩基渗透并沿着桩体向上逐渐排水，然后通过土工格栅垫层向外排水，形成了一个性能良好的排水体系。 二、工程背景、概况及有

5、限元模型的建立 本次研究以某实际工程为背景，建立了有限元模型进行分析。该工程某路段的路基土质为淤泥、淤泥质土，而且以层状的方式连续分布，层厚最大达到了10m，土质很差，而且承载力低。因此，为了确保高速公路建成投入使用后行车的安全，施工过程中采用了桩与土工格栅加筋垫层联合作用对软土地基进行加固的处理。填土路堤表面是沥青混凝土，面层的厚度为0.30m，路基的高度为4.7m，路面的宽度为27m，加固区域的地基土厚度为10m，底部是作为持力层的5m厚坚硬土层。加固过程中所使用的桩位刚性桩，桩直径为0.6m，长度为10m，横向桩之间的间距为1.5m，其布置主要是按照长方形1.5m1.0m的方式进行的，置

6、换率为0.188，路堤下铺设有0.3m厚的砂石褥垫层，在垫层上面再铺设有一层土工格栅。该施工即是桩与土工格栅加筋垫层联合形成的复合地基。该方案对提高地基的强度与稳定性具有明显的效果。 在进行有限元模型的建立时，我们采用的是有限元软件PLAXIS。土工格栅单元是一种柔性的弹性单元，其具有法向刚度，但是没有弯曲刚度，只能承受拉力的作用而不能承受压力作用。因此，格栅单元的模拟材料特性为轴向弹性刚度EA，其中E表示材料的弹性模量，A表示截面面积。而桩-土与格栅-土之间的相互作用我们采用的是接触面模拟，有接触面单元组成。另外，桩体采用的是无空隙渗透的线弹性体进行模拟，土体采用的是弹塑性材料进行模拟。整个

7、复合地基的模拟均采用的是上面所提到的各种材料。 三、计算结果与加固效果分析 1.土工加筋层的影响 为了分析土工格栅对复合地基承载力以及在减小沉降方面所起的作用，在试验分析过程中复合地基其他参数都相同的情况下，对比分析了有土工格栅与没有土工格栅两种不同情况下地基的承载力及沉降情况，并分析土工格栅在地基加固中的作用及效果。分析过程中发现，在路面荷载的作用下路堤将会变形，路堤与桩体都会产生水平位移及竖向沉降，而有土工格栅的情况下，土工格栅在路堤受到挤压的过程中会起到抗拉膜的作用，对土体的侧向挤出产生约束作用，这样则限制了侧向发生位移，减小了侧向的隆起，提高了地基的承载力。经过计算分析，路堤的地基承载

8、力是随着地基土刚度模量减小而减小的，而当加铺土工格栅后，不同模量地基的承载力均有所提高，但是在刚度较大的地基铺设土工格栅时，效果并不明显。这说明土工格栅并不是适用于所有地基的加固，它更适用于软土地基的加固，而且在刚度较小的软土地基加固中铺设土工格栅加筋垫层对软土地基加固具有显著效果。 2.桩体复合地基置换率的影响 对于桩体复合地基而言，提高复合地基中桩的承载力与置换率均可以提高桩体复合地基的承载力。为了研究桩体复合地基置换率对地基承载力的影响，在保证其他条件及参数不变的情况下对复合地基的承载力进行了计算分析。首先，我们在置换率不变的情况下，改变桩径，然后计算分析路堤承载力的变化；然后，计算了置

9、换率变换的情况下，不同地基承载力的变化。分析结果表明：当置换率不变时，桩径越小、桩间距越密，地基的承载力越高。而在置换率变换的情况下，当置换率增大时，地基的承载力也会随之增加，而且当固定桩径不变、减小桩间距的情况下置换率较小也获得了很大的承载力。 3.桩间距的影响 加密桩间距主要是为了减小路堤地基的沉降，我们主要针对不同的加密位置进行了沉降量的分析，并对加密桩间距的加固效果也进行了分析。通过计算与分析后我们发现桩间距的加密能够使路堤的沉降量明显减小，而且在路面范围内加密桩间距对减小地基沉降量的效果更明显，加固效果也更好。另外，我们也发现在路面下对桩间距进行加密不仅能够有效的减小沉降量，还能改善路堤的不均匀沉降。 四、结束语 采用桩与土工格栅加筋垫层联合作用于软土地基的加固具有显著的效果，而且能够提高地基的承载力，在高速公路施工中的软土地基处理中也已经得到了广泛的应用。 参考文献： 【1】 闫澍旺,程栋栋,侯晋芳等.桩与土工加筋层对公路路堤地基承载力的影响.中国公路学报,2008,21(4):30-36. 【2】 曹新文,卿三惠,周立新等.桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验