基于模型试验的包裹碎石桩复合地基性能研究

基于模型试验的包裹碎石桩复合地基性能研究

韩建伟 ,梁伟英

广西壮族自治区建筑科学研究设计院，广西南宁市，530011

广西建设职业技术学院，广西南宁市，530007

摘要

通过分析若干组软土地基包裹碎石桩单桩复合地基室内模型试验数据，研究了包裹土工材料抗拉强度、包裹长度对包裹碎石桩性能的影响，以及包裹碎石桩复合地基的承载力特性、桩土应力传递规律、桩身变形特点、地基破坏模式等。

关键词：包裹碎石桩；模型试验；软土地基；复合地基

引言

软土地基具有孔隙比大、含水量高、透水性低、压缩性高等特点，常用碎石桩对其进行地基处理，以加速软土地基排水固结，提高地基承载力。碎石桩因桩周土体无法提供足够的径向约束而发生桩身臌胀剪切破坏，对地基承载力的提高有限，也无法有效地控制地基沉降。为克服碎石桩的这些缺陷，Van Impe最早于1989年提出了包裹碎石桩这一概念，即在碎石桩外包裹一层土工材料，形成“包裹碎石桩”，利用土工材料提供径向约束，从而提高桩身的竖向承载力、减小地基沉降，同时还具备良好的排水固结能力。

1 模型试验介绍

室内模型试验选用长宽高为100cm×100cm×90cm的刚性模型箱，试验材料包括滨海地区淤泥质软土、用于填筑桩体和褥垫层的级配碎石、用于包裹桩身的土工网、铺设于碎石褥垫层底部的无纺土工布、用作桩端持力层的硬黏土等。设计桩长l=65cm、桩径d=10cm、长径比l/d=6.5，荷载板直径Φ=25cm。设置0kN/m（碎石桩）、5kN/m、12kN/m等三种不同抗拉强度的桩身包裹材料，以研究包裹材料抗拉强度的影响。设置0cm（碎石桩）、40cm、65cm等三种不同包裹长度（材料抗拉强度12kN/m），以研究包裹长度的影响度。另外设置一组天然软土地基作为空白组。试验利用称重传感器测量作用在荷载板上的竖向压力，用Φ70mm土压力计测量桩身竖向应力，采用微型土压力计测量桩周土体竖向及水平土压力，用位移计测量荷载板及地表沉降量，桩身臌胀变形量使用自研的桩体鼓胀变形测量仪测量。

2试验结果

2.1包裹碎石桩复合地基的承载力特性

天然软土地基的极限承载力为11kPa，碎石桩复合地基的极限承载力为25kPa，包裹碎石桩（全长包裹）复合地基的极限承载力在83kPa~115kPa之间，约为天然软土地基的6.5~9.5倍，是碎石桩复合地基的3.0~4.5倍；桩土应力比n是碎石桩复合地基的5.5~6.5倍。增大包裹土工材料的抗拉强度能有效地提高桩土应力比，进而提高复合地基的竖向承载力。在桩端为坚硬持力层的情况下，仅在距桩顶一定范围内对桩体进行包裹，不能充分发挥包裹土工材料的包裹加筋作用，部分包裹碎石桩复合地基试验组的极限承载力仅为36kPa，其极限承载力仅略高于碎石桩试验组，远低于全长包裹碎石桩实验组。

2.2包裹碎石桩的桩土应力传递规律

根据包裹碎石桩桩身埋设的若干土压力计数据，桩身的最大竖向应力发生在距桩顶2d附近，桩周土体的最大水平土压力发生在距桩顶2d附近，与桩身的最大轴力位置一致；桩周土体的竖向土压力沿深度的增加而减小。在全长包裹的情况下，包裹碎石桩可以有效地将桩顶荷载传递至桩端土层，其荷载传递深度远大于碎石桩，意味着其有效加固深度也远大于碎石桩。

2.3包裹碎石桩的桩身变形特点

根据桩身径向变形量监测数据，包裹碎石桩的成桩挤密过程中，包裹材料已产生了1%~2%的拉伸变形，从而对桩体内碎石材料产生了一定的预约束力，使得包裹碎石桩形成密实且具有一定自稳能力的桩体。包裹碎石桩的最大桩身鼓胀变形发生在2.5d~3.5d处，碎石桩发生在2.0d~2.5d处。全长包裹碎石桩全长均发生了鼓胀变形，且其鼓胀变形量沿桩长方向相对均匀分布；部分包裹碎石桩的包裹段仅发生轻微臌胀变形，桩身臌胀变形破坏发生在下部未包裹段；碎石桩桩体的最大臌胀变形深度约为4.5d，这一深度以下的桩体几乎没有发生臌胀变形。

2.4土工材料对包裹碎石桩的影响

高明军等人基于Brauns碎石桩极限承载力公式推导了包裹碎石桩距顶一定深度范围内发生包裹材料拉断破坏时其单桩极限承载力计算公式，本文利用该公式对包裹碎石桩复合地基进行极限承载力计算，再将理论计算值与模型试验实测值进行比较，发现包裹材料抗拉强度的取值对极限承载力计算结果有很大影响。如何确定包裹碎石桩复合地基达到极限承载力时包裹材料的抗拉强度（或拉应变）是一个亟待解决的问题。实际工程中，应对包裹材料强度进行适当折减，同时选用低延展性的土工材料，以降低地基沉降。

3. 包裹碎石桩复合地基的破坏模式

3.1包裹材料拉断破坏模式

在上部竖向荷载作用下，包裹碎石桩的桩体碎石材料会产生向外侧鼓胀的趋势，迫使包裹材料受拉而产生拉伸应变。若包裹材料因桩体鼓胀变形所产生的拉应力超过其抗拉强度，包裹材料就会被拉断，进而桩体将发生鼓胀破坏。这种破坏模式一般发生在包裹材料抗拉强度较低且包裹材料的延伸率较小时。

3.2桩顶刺入破坏模式

若包裹材料的刚度很大且桩端支撑在坚硬持力层上，则会因为桩体刺入碎石褥垫层而出现刺入破坏。此时包裹碎石桩表现为刚性桩所具有的性质，包裹材料刚度越大、桩周土体承载力越低、长径比越小、桩端持力层越硬，这种现象越明显。

3.3桩端刺入破坏模式

包裹材料的抗拉强度很大，桩端支撑在软弱持力层上，则会因为桩端土层承载力不足而产生刺入破坏。此时包裹碎石桩也表现为刚性桩所具有的性质，包裹材料刚度越大、桩端持力层越软，长径比越小，这种现象也越明显。可以通过改变桩端位置使桩端支撑在坚硬持力层上来改善。若桩体没能穿透软弱土层而形成悬浮桩，则其包裹土工材料的抗拉强度无法充分发挥，使得工程很不经济。

3.4未包裹段臌胀剪切破坏模式

对于部分包裹碎石桩，若包裹材料的刚度较大，在桩顶竖向荷载的作用下包裹材料无法达到其极限抗拉强度，包裹段桩体可以将大部分上部荷载传递至未包裹段，未包裹段桩体因为桩周土体不能提供足够的约束力而产生鼓胀剪切破坏。

结束语

本文通过分析若干组软土地基包裹碎石桩单桩复合地基室内模型试验数据，得到了一些关于包裹碎石桩复合地基的加固机理结论，同时根据实验现象提出包裹碎石桩复合地基可能存在的破坏模式，为包裹碎石桩复合地基的工程应用提供参考。

参考文献

[1] Impe W . Soil Improvement: Techniques and their Evolutuion[J]. animal science papers & reports, 1989.

[2] 韩建伟.包裹碎石桩复合地基模型实验研究[D].西南交通大学,2015.

[3] 欧阳芳.包裹碎石桩复合地基静动力特性及其设计方法研究[D].西南交通大学,2017.

[4] 欧阳芳,张建经,付晓,韩建伟,闫孔明,杜林.包裹碎石桩承载特性试验研究[J].岩土力学,2016,37(07): 1929-1936.DOI:10.16285/j.rsm.2016.07.013.

[5] 吕文强,韩建伟,欧阳芳.包裹碎石桩影响范围的模型试验分析[J].路基工程,2016(02): 24-29.DOI: 10.13379/j.issn.1003-8825.2016.02.06.

[6] 高明军,刘汉龙等.竖向管式格栅加筋碎石桩承载力计算方法[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2011,12(6):649-653.