土工格柵對(duì)樁—網(wǎng)復(fù)合地基應(yīng)力變化的影響

土工格柵的存在就是樁—網(wǎng)復(fù)合地基區(qū)別于一般樁承式地基的一大區(qū)別，因此研究土工格柵在樁—網(wǎng)復(fù)合地基承載特性中的作用是非常有必要的。目前，樁—網(wǎng)復(fù)合地基[1]在工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)方法大部分是以極限平衡理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，此方法一般偏于保守，常常不考慮樁—網(wǎng)復(fù)合地基中各部分復(fù)雜的相互作用。因此近年來人們提出了使用有限元法、有限差分法等數(shù)值方法來對(duì)地基中復(fù)雜的相互作用進(jìn)行模擬。

 

所研究的對(duì)象為路堤荷載作用下的樁—網(wǎng)復(fù)合地基，由于實(shí)際工程中CFG樁數(shù)眾多，完全按照實(shí)際情況來建立模型會(huì)在數(shù)值模擬時(shí)遇到很大困難，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可按平面應(yīng)變問題分析，即將路基看做條形基礎(chǔ)，根據(jù)路堤兩邊沿路堤中心對(duì)稱，可取路堤一半?yún)^(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)工程實(shí)際情況，選取DK2070+025為研究斷面，建立模型的方案為：樁徑為d=0.5m，樁長(zhǎng)為12m，路堤填土高度為3m，褥墊層厚度60cm，計(jì)算深度取兩倍樁長(zhǎng)為25m，側(cè)面邊界35m。模型的邊界條件為：地基底面施加水平及豎直約束；側(cè)面施加水平方向的約束；上邊界為自由邊界。

 

模擬假定：CFG樁由于變形小，樁土相對(duì)剛度較大，可將樁及碎石褥墊層視為線彈性體；上部路堤填土及土體考慮為理想彈塑性體。各材料都視為各向同性均質(zhì)材料。同時(shí)考慮到持力層為條件良好的花崗巖，可忽略樁土摩擦作用，碎石墊層與土工格柵之間采用點(diǎn)面接觸單元。

 

幾何模型及其網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格劃分依據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸結(jié)果及室內(nèi)試驗(yàn)得出的參數(shù)確定。樁體參數(shù)按設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)取值，樁體密度根據(jù)工程實(shí)際采用的混凝土等級(jí)作參考取值，泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參考取值，軟土為0.42，粉質(zhì)粘土取0.35。CFG樁的泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.2。

 

實(shí)測(cè)沉降曲線是根據(jù)DK2070+025斷面通過一年以上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而得到的結(jié)果，模擬沉降曲線則是由上述參數(shù)條件建立的模型進(jìn)行計(jì)算而得到的路堤中心樁的最大沉降。從兩個(gè)沉降曲線可看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)沉降結(jié)果相差不大，并變化規(guī)律接近一致，在荷載作用下達(dá)到一定的時(shí)間后，路基沉降趨于穩(wěn)定。模擬計(jì)算結(jié)果稍大于實(shí)際觀測(cè)沉降值，這主要是由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化，考慮諸多影響參數(shù)的時(shí)候都是保守取值。從結(jié)果對(duì)比我們可暫時(shí)假定模型可真實(shí)反映工程實(shí)際情況，并以此模型為基礎(chǔ)，在下面對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基的受力變形規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步分析探討。

 

對(duì)地基在橫向及縱向上的樁土應(yīng)力比進(jìn)行對(duì)比分析，圖4和圖5為加設(shè)土工格柵與不加設(shè)土工格柵時(shí)復(fù)合地基沿距離路堤中心向路堤外方向的樁土應(yīng)力比及沿樁長(zhǎng)深度的應(yīng)力比。復(fù)合地基中是否加設(shè)土工格柵對(duì)樁土應(yīng)力比的影響非常明顯。在不加設(shè)土工格柵時(shí)，樁土應(yīng)力比遠(yuǎn)小于加設(shè)了土工格柵的應(yīng)力比。兩種情況下在距路堤中心為3～4m時(shí)樁土應(yīng)力比都達(dá)到最大值；在沿樁長(zhǎng)深度上，樁體中上部的應(yīng)力比最大，變化趨勢(shì)沿深度向下逐漸趨于穩(wěn)定。

 

土工格柵在樁—網(wǎng)復(fù)合地基中對(duì)沉降的影響由計(jì)算結(jié)果得出分析，由此可明顯看出，加設(shè)土工格柵的計(jì)算結(jié)果與未加設(shè)格柵時(shí)有著顯著差異，兩者都隨樁長(zhǎng)深度逐漸減小，但在加設(shè)土工格柵后，樁體豎向位移明顯減小。這說明土工合成材料發(fā)揮其兜堤作用，網(wǎng)土共同作用，分擔(dān)了部分荷載，減小了下部加固區(qū)的豎向位移。由于土工格柵的存在，對(duì)其周圍土體產(chǎn)生摩擦咬合作用，對(duì)土體的彈性模量有所提高，從而調(diào)整格柵周圍的土體的應(yīng)力分布，減小沉降。

 

在樁—網(wǎng)復(fù)合地基中，土工合成材料在作用非常關(guān)鍵，與不加設(shè)土工格柵的復(fù)合地基相比，無論是從下部加固區(qū)的承載特性還是豎向位移變化規(guī)律都有顯著的影響。在墊層中設(shè)置加筋體，對(duì)填土內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)起到了調(diào)整作用，土工合成材料通過其與抗拉材料相似的作用，對(duì)地基的不均勻沉降加以控制，與上部土協(xié)同作用對(duì)荷載的傳遞起到了分散作用。因此在復(fù)合地基中鋪設(shè)土工合成材料，對(duì)控制地基沉降及變形有著重要的意義，在提高地基承載能力的同時(shí)保證地基的穩(wěn)定性。