王朋

（河北中核巖土工程有限責(zé)任公司河北石家莊050021）

加筋墊層設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水平位移影響數(shù)值分析

王朋

（河北中核巖土工程有限責(zé)任公司河北石家莊050021）

深層攪拌樁聯(lián)合加筋墊層進(jìn)行地基處理在公路、鐵路路基工程中應(yīng)用的較多，但是加筋墊層的組成如筋材剛度、筋-土界面摩擦系數(shù)及砂墊層厚度等因素對(duì)水平位移的減小作用具體有多大，目前尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本文建立平面應(yīng)變的數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)改變土工格柵的抗拉剛度及其與墊層間的界面摩擦剛度、砂墊層厚度等因素，分析路基施工過(guò)程中軟土地基的水平向變形特性，所得結(jié)論對(duì)于工程具有指導(dǎo)意義。

深層攪拌樁加筋墊層數(shù)值分析水平位移變形特性

1　引言

水泥土深層攪拌樁（DMP樁）聯(lián)合加筋墊層法是一種有效的軟土地基處理方法，該法用來(lái)解決許多軟土地基上的路基工程，如減小軟土地基中水平位移及實(shí)現(xiàn)路堤的快速填筑[1]。該法應(yīng)用中，不同筋材的抗拉剛度及砂墊層與筋材之間的摩擦特性均對(duì)水平位移的發(fā)展有很大的影響。墊層與筋材之間的協(xié)調(diào)作用與變形機(jī)理是較為復(fù)雜的問(wèn)題，目前尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本文采用數(shù)值分析方法，可直觀的反應(yīng)砂墊層與土工格柵協(xié)調(diào)工作及軟土地基的變形特性，分析了筋材抗拉剛度、筋土界面摩擦剛度及砂墊層厚度對(duì)軟土地基水平向變形特性的影響，從而為工程設(shè)計(jì)做一定的指導(dǎo)。

2　數(shù)值分析模型

2.1DMP樁的平面應(yīng)變等效

假設(shè)沿縱向水平位移忽略不計(jì)，數(shù)值分析可采用平面應(yīng)變計(jì)算模型。樁體采用正方形布置，為空間問(wèn)題。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可采用等效樁墻法[2～4]，將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)考慮。本文采用置換率等效方法，按照公式（1）對(duì)DMP樁彈性模量進(jìn)行等效計(jì)算。

式中，Ee為DMP樁墻的彈性模量，Es為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)各層土彈性模量的加權(quán)平均值，A為樁截面面積，D為樁徑，l為樁中心距。DMP樁樁體強(qiáng)度f(wàn)cu采用400kPa，根據(jù)規(guī)范[5]，Ep=（100～200）fcu，取中間值，即彈性模量Ep為60MPa。

2.2材料計(jì)算模型及參數(shù)選取

建立2D平面應(yīng)變有限元模型，樁及土單元均采用6節(jié)點(diǎn)三角形單元，材料模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，土體采用的計(jì)算參數(shù)見表1。土工格柵采用只受拉應(yīng)力。樁體采用線彈性模型。

表1　有限元分析參數(shù)

2.3數(shù)值分析計(jì)算模型

采用對(duì)稱建模：路基寬8m，坡度1:1.5，地基土寬度50m，深度38m。中心線及右邊水平向約束，底部全約束。通過(guò)激活與殺死單元，控制計(jì)算載荷步來(lái)控制堆高來(lái)模擬分步施工。水泥土攪拌樁（DMP）樁長(zhǎng)18m。分析采用樁徑500mm，樁間距2.0m，砂墊層厚度600mm。根據(jù)公式（1）及表（1）中各層地基土的彈性模量，計(jì)算得到樁墻的等效彈性模量Ee為60MPa。有限元網(wǎng)格劃分見圖1。路堤土分6層填筑，填土歷時(shí)曲線見圖2。

圖1　有限元網(wǎng)格劃分

圖2　堆高歷時(shí)曲線

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1土工格柵抗拉剛度

取一層筋材進(jìn)行計(jì)算，布置在墊層中間。界面摩擦剛度選擇為1.0?？估瓌偠葹?000、2000、1000、500、30 kN/m，不考慮筋材拉斷。路堤坡腳地表A點(diǎn)距離坡腳分別為1.3m。圖3為不同土工格柵抗拉剛度對(duì)A出地基剖面上水平位移影響的對(duì)比圖。

由圖3可見，隨著土工格柵抗拉剛度EA值的4000kN/m減小到30kN/m，A點(diǎn)地表以下至7.5m深度范圍內(nèi)水平位移將增大，增大的幅度約10%。深度7.5m以下，側(cè)向位移幾乎不受抗拉剛度變化的影響。可見，在堆高8m時(shí)，土工格柵抗拉剛度僅對(duì)淺層地基土的側(cè)向位移有減小作用。土工格柵抗拉剛度超過(guò)2000kN/m后，其對(duì)于減小淺層水平位移的作用提高不大。

圖3　堆高8m抗拉剛度-側(cè)向位移圖

3.2摩擦剛度

土工格柵與砂墊層之間的摩擦剛度，指的是墊層與土工格柵之間的摩擦力與砂墊層強(qiáng)度的比值，即將砂墊層的強(qiáng)度進(jìn)行一定的折減，作為界面的強(qiáng)度。當(dāng)摩擦力超過(guò)此強(qiáng)度后，界面斷開。界面摩擦剛度R按照0.6～1.0考慮。取兩層筋材進(jìn)行計(jì)算，均勻布置在墊層中間。抗拉強(qiáng)度選擇60kN/m。路基堆高為6m時(shí)的摩擦剛度的對(duì)坡腳水平位移的影響見圖4。

由圖4可見，當(dāng)堆高為6m時(shí)，土工格柵與砂墊層之間的界面剛度為1.0、0.8、0.7和0.6，對(duì)水平位移的影響很小。其主要影響范圍為深度7.8m以上，即為堆載體平均寬度的0.35倍左右。

圖4　堆高6m界面摩擦剛度-水平位移圖

圖5為界面摩擦剛度與堆高的關(guān)系。由圖可見，隨著摩擦剛度的增大，堆高是增大的，并且增大逐漸趨緩。

圖5　界面摩擦剛度-極限堆高曲線

3.3砂墊層厚度

取兩層筋材進(jìn)行計(jì)算，均勻布置在墊層中間?？估瓘?qiáng)度選擇30kN/m,摩擦剛度選擇為0.8。砂墊層厚度對(duì)側(cè)向位移的影響見圖6。由圖6可以看出，墊層厚度從400mm增大到600mm，坡腳處A點(diǎn)最大水平位移Sx遞減趨勢(shì)較明顯，當(dāng)厚度超過(guò)700mm，厚度h再增大，水平位移Sx減小趨勢(shì)減小。可見，砂墊層厚度不宜過(guò)小，過(guò)小厚度不利于減小側(cè)向位移，過(guò)大對(duì)減小側(cè)移作用也不大?？紤]到砂墊層與筋材的摩擦及砂墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，取400～700mm是較為合適的。

圖6　側(cè)向位移Sx與墊層厚度h的關(guān)系

4　結(jié)論及建議

通過(guò)以上研究，對(duì)于水泥土攪拌樁聯(lián)合加筋墊層處理的軟土地基，加筋墊層對(duì)于路堤坡腳水平位移的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）土工格柵抗拉剛度變化對(duì)軟土地基水平位移的影響主要集中在地基淺部，約為堆載體平均寬度0.2倍范圍內(nèi)。抗拉剛度從4000kN/m降到30kN/m，淺部側(cè)向位移約增大10%。

（2）砂墊層與土工格柵間的界面摩擦剛度選擇0.8～1.0進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)坡腳水平位移影響不大，但隨著摩擦剛度的降低，會(huì)導(dǎo)致極限堆高的減小。

（3）土工格柵與砂墊層之間的界面摩擦剛度對(duì)坡腳水平位移的影響同樣集中在淺部，且對(duì)側(cè)向位移的影響很小。

（4）砂墊層厚度對(duì)于減小側(cè)向位移有一定的作用。當(dāng)砂墊層厚度超過(guò)某個(gè)值后，減小側(cè)向位移的作用有限。加筋墊層的合理厚度在400～700mm之間。

[1]胡立科.樁承加筋土復(fù)合地基性狀試驗(yàn)研究與有限元分析.浙江大學(xué),2008.

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[4]葉觀寶，廖星樾，高彥斌等.長(zhǎng)板-短樁工法處理高速公路軟土地基的數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008,30（2）：232～236.

[5]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

TU472.3+6[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-462-2

王朋（1981～），工程師，研究方向?yàn)閹r土工程勘察、地基處理及基坑支護(hù)。