(1.中化巖土集團股份有限公司，北京 102600； 2.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100；3.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

1 研究背景

碎石樁因施工簡單、加固效果好和造價低廉等優(yōu)點在軟土地基處理中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。碎石樁承載作用的發(fā)揮主要依靠樁周土對樁體的徑向圍箍力，當(dāng)樁周土為強度較低的軟土?xí)r(不排水抗剪強度Cu<15 kPa)，無法提供足夠大的徑向約束力，導(dǎo)致碎石樁體上部發(fā)生鼓脹破壞[4]。

加筋濾網(wǎng)碎石樁由加筋濾網(wǎng)與碎石共同作用形成，荷載作用下加筋濾網(wǎng)對碎石產(chǎn)生側(cè)向約束作用，能防止碎石顆粒擠入周圍土體，保持碎石樁的摩擦特性和排水固結(jié)通道[5-6]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對加筋濾網(wǎng)碎石樁受力性能分別從模型試驗、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等方面進行了一些研究，并取得了一定的研究成果。陳翠瓊[7]將加筋濾網(wǎng)碎石樁用于建筑物軟土地基加固，并證明了適用性。Murugesan等[8]、Yoo等[9]、Miranda等[10]、Mohapatra等[11]分別進行了加筋濾網(wǎng)碎石樁與普通碎石樁的模型試驗，得出加筋濾網(wǎng)能顯著提高碎石樁體的抗剪能力和承載力。李良勇等[12]建立了路堤荷載下加筋濾網(wǎng)散體樁有限元模型，分析了樁間距、加筋濾網(wǎng)剛度、路堤高度等因素對加固效果的影響。Hong等[13]基于軟土地基上加筋濾網(wǎng)砂樁模型試驗得出加筋濾網(wǎng)能提高砂樁的承載力，當(dāng)濾網(wǎng)剛度較大時，側(cè)脹變形沿樁身均勻分布。Hughes等[14]研究發(fā)現(xiàn)加筋濾網(wǎng)碎石樁樁身膨脹變形約發(fā)生于從樁頂至4倍樁徑深度處。Sivakumar等[15]、Gniel等[16]通過三軸試驗分別研究了加筋濾網(wǎng)砂樁、加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣中加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束能力，得出樁體的強度和剛度隨加筋濾網(wǎng)剛度的增加而提高。Chen等[17]對加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣進行單軸抗壓試驗，結(jié)果表明加筋濾網(wǎng)碎石樁試樣單軸抗壓強度主要與加筋濾網(wǎng)的抗拉強度有關(guān)，而與碎石的初始孔隙比無關(guān)。

已有研究大多采用模型試驗、室內(nèi)試驗的方法對加筋濾網(wǎng)碎石樁(砂樁)試樣的承載性能、加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束能力等方面進行研究，而通過現(xiàn)場原位試驗對加筋濾網(wǎng)碎石樁豎向承載性能的研究卻鮮有報道。本文通過對加筋濾網(wǎng)碎石樁加固淤泥質(zhì)軟土地基進行現(xiàn)場試驗，采用動力觸探、平板載荷試驗方法進行加固效果研究和分析，建立加筋濾網(wǎng)碎石樁單樁有限元模型，分析加筋濾網(wǎng)包裹長度對樁體承載性能的影響，可為加筋濾網(wǎng)碎石樁優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2 試驗方案設(shè)計及結(jié)果分析

2.1 試驗場地工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場試驗場地原為海域，已回填整平，回填料為開山碎石土，后經(jīng)3 000 kN·m能級強夯滿夯處理，場地地勢較平坦且排水通暢。試驗區(qū)土層由上至下分別為：素填土層約3.5 m厚，淤泥質(zhì)黏土層約9 m厚，粉質(zhì)黏土層約0.5 m厚(部分鉆孔缺失)，最下層為強風(fēng)化花崗巖，樁端進入強風(fēng)化花崗巖1 m。場地土層參數(shù)見表1。試驗區(qū)選擇在淤泥質(zhì)黏土層較厚且上部無重要結(jié)構(gòu)物的區(qū)域。

表1 土層參數(shù)

圖1 試驗區(qū)碎石樁平面布置

2.2 試驗工藝及參數(shù)設(shè)計

預(yù)成孔加筋濾網(wǎng)碎石樁的施工工藝：首先在地基土中沉管并成孔，然后在孔內(nèi)下設(shè)加筋濾網(wǎng)，并在加筋濾網(wǎng)中分層回填碎石，每層填料厚度≤2.0 m，采用振動桿振動密實，分層施工直至地面形成密實樁體。

試驗布置為3個試驗區(qū)，加筋濾網(wǎng)碎石樁共9根，分為3組，分別進行預(yù)成孔振沖碎石樁與預(yù)成孔振沖加筋濾網(wǎng)碎石樁試驗。試驗區(qū)碎石樁平面布置見圖1，試驗樁參數(shù)見表2，HP470加筋濾網(wǎng)參數(shù)見表3，碎石填料由粒徑20 mm和40 mm的碎石等比例混合而成。

表2 試驗樁參數(shù)

表3 HP470加筋濾網(wǎng)參數(shù)

表4 滿夯加固前單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果匯總

2.3 超重型動力觸探試驗

試驗采用落錘質(zhì)量為120 kg，落距為100 cm，試驗時落錘自由下落且連續(xù)貫入，錘擊速率為15～30擊/min。錘擊數(shù)N120(簡稱動探擊數(shù))與貫入深度H關(guān)系曲線見圖2。

圖2 超重型動力觸探試驗N120-H曲線

由圖2可知，所測樁體動探擊數(shù)大都介于1～6，密實度為松散-稍密[18]。樁體頂部3 m范圍內(nèi)，動探擊數(shù)一般為2～3，處于松散狀態(tài)。

試驗1區(qū)平均動探擊數(shù)為4.53，密實度為稍密;試驗2區(qū)和3區(qū)平均動探擊數(shù)為5.65，密實度為稍密-中密。這說明成樁過程中，加筋濾網(wǎng)的側(cè)向約束作用提高了樁體的密實度。

2.4 平板載荷試驗

現(xiàn)場采用平板載荷試驗方法，對1-3、2-1、3-3試驗樁進行單樁平板載荷試驗，得到荷載P-沉降s曲線及單樁抗壓承載力特征值。試驗加載方式采用慢速維持荷載法，荷載讀數(shù)采用壓力傳感器測讀，設(shè)置4只位移傳感器測量加筋濾網(wǎng)碎石樁的沉降量。單樁平板載荷試驗P-s曲線如圖3所示。

圖3 單樁平板載荷試驗P-s曲線

滿夯加固前的荷載與沉降關(guān)系曲線(P-s曲線)見圖3(a)，試驗成果匯總見表4。

碎石樁體形成后，上部約3 m范圍內(nèi)處于松散狀態(tài)，靜載試驗受其影響無法準確表現(xiàn)出樁體的豎向承載力，因此，對試驗區(qū)碎石樁(1-3、2-1、3-3)頂部進行滿夯加固，加固單擊能級為3 000 kN·m，擊數(shù)6擊。對滿夯加固后的樁體進行了靜載試驗，荷載P與沉降s關(guān)系曲線見圖3(b)。

2.5 試驗結(jié)果分析

由圖3(a)可以看出，試驗區(qū)P-s曲線均沒有明顯的比例界限，為緩變型。由表4可以看出，試驗2區(qū)樁體承載力特征值比1區(qū)大341 kPa，提高到2.4倍,說明荷載作用下，加筋濾網(wǎng)提供的側(cè)向約束發(fā)揮作用，提高了樁體抗壓承載能力。

當(dāng)P>300 kPa時，相同荷載下，試驗3區(qū)沉降量大于試驗2區(qū)，且隨著荷載P的增大，沉降差顯著增大。當(dāng)加筋濾網(wǎng)碎石樁直徑由1 000 mm增大至1 200 mm時，樁體承載力特征值反而減小了226 kPa，說明加筋濾網(wǎng)對碎石樁的側(cè)向約束作用存在尺寸效應(yīng)。這導(dǎo)致加筋濾網(wǎng)對碎石樁承載力的貢獻存在尺寸效應(yīng)，當(dāng)樁體直徑d較大時(d≥1 200 mm)，加筋濾網(wǎng)開始裹不住碎石，加筋濾網(wǎng)對承載力的提高作用減小，碎石樁體發(fā)揮主要作用。

根據(jù)規(guī)范[19-20]，當(dāng)P-s曲線呈緩變型時，復(fù)合地基增強體單樁的豎向抗壓極限承載力可取樁頂總沉降量40 mm所對應(yīng)的荷載值，因此，由樁頂至3d深度范圍內(nèi)碎石經(jīng)3 000 kN·m能級強夯加固后，試驗3區(qū)單樁豎向抗壓極限承載力為2 955 kPa，單樁豎向承載力特征值取極限值的一半，則單樁豎向抗壓承載力特征值為1 477.5 kPa，約為強夯加固前的4.1倍。這說明加筋濾網(wǎng)碎石樁(2～3)d深度范圍內(nèi)樁體密實度對單樁豎向承載力有顯著影響，密實度越高，單樁豎向承載力越大。

3 加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石樁承載性能影響分析

3.1 有限元模型建立

為分析加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石樁單樁受力變形特性的影響，選取試驗2區(qū)、3區(qū)的典型土層信息，建立加筋濾網(wǎng)碎石樁單樁有限元模型(見圖4(a))。模型中土體采用Mohr模型，樁體采用彈性模型，模型底部設(shè)置水平和豎向位移約束，兩側(cè)設(shè)置水平位移約束，用土工格柵單元模擬加筋濾網(wǎng)，加筋濾網(wǎng)參數(shù)見表2，有限元網(wǎng)格劃分見圖4(b)。

圖4 加筋濾網(wǎng)碎石樁單元體模型

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 計算與實測P-s曲線對比

為對所建模型進行驗證，在模型頂部分級施加荷載，并記錄每級荷載下樁頂位移，作出P-s曲線，與現(xiàn)場載荷試驗的實測P-s曲線對比(見圖5)。

圖5 計算和實測的P-s曲線對比

由圖5可知，計算得到的樁頂P-s曲線與滿夯加固前單樁載荷試驗實測值較吻合，說明建立的數(shù)值模型能較好地模擬加筋濾網(wǎng)碎石樁的力學(xué)響應(yīng)。

3.2.2 加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石單樁沉降的影響

加筋碎石樁樁體側(cè)脹變形集中發(fā)生在樁頂至樁身一定深度處[21]。為研究加筋濾網(wǎng)的包裹長度對碎石樁單樁沉降及側(cè)向變形的影響，選擇加筋濾網(wǎng)的包裹長度分別為2d,4d,6d,8d及全長包裹進行計算，得到不同包裹長度下碎石樁單樁P-s曲線(見圖6)及不同包裹長度對沉降影響的變化曲線(見圖7)。

圖6 不同包裹長度下碎石樁單樁P-s曲線

由圖6可以看出，當(dāng)荷載在0～100 kPa范圍時，不同包裹長度下碎石樁單樁的P-s曲線變化規(guī)律一致，說明荷載較小時(P<100 kPa)，加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石樁單樁沉降幾乎沒有影響。在加載荷載至240 kPa時，當(dāng)包裹長度由2d增大到8d，樁身沉降量由200 mm減小至172 mm，減小了14%，說明當(dāng)荷載加載至一定程度時(P>100 kPa)，荷載越大，加筋濾網(wǎng)包裹長度對樁身沉降的控制效果越好。

由圖7可以看出，圖中3條曲線在包裹長度6d時存在拐點，當(dāng)包裹長度>6d時，隨包裹長度的增加，單樁沉降變化較小，加筋濾網(wǎng)對單樁的控制效果明顯減弱。

3.2.3 加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石單樁徑向變形的影響

通過記錄不同包裹長度、不同深度處樁體的徑向變形，得到包裹長度對樁體徑向變形的影響曲線(見圖8)。

圖8 包裹長度對樁體徑向變形的影響曲線

由圖8可以看出，曲線均在深度2 m處存在拐點，即在2倍樁徑深度處，樁體徑向變形最大。當(dāng)深度<2d時，樁體徑向變形基本相同，與包裹長度無關(guān)，說明當(dāng)P≥200 kPa時，自樁頂至2d深度處碎石樁已發(fā)生側(cè)脹變形，該深度范圍加筋濾網(wǎng)已充分發(fā)揮側(cè)向約束作用。

當(dāng)荷載P由200 kPa增加到250 kPa時，在(2～6)d深度范圍內(nèi)樁體側(cè)脹變形增幅較大，在>6d深度范圍側(cè)脹變形沿深度變化較小，且不同包裹長度的樁體在>6d深度范圍內(nèi)變化趨勢一致，說明隨著荷載的增大，在6d深度范圍內(nèi)基本沒有衍生新的側(cè)脹變形，可認為側(cè)脹變形的深度<6d，故當(dāng)P=200～250 kPa時，對于HP470型加筋濾網(wǎng)，在滿足承載力和變形的要求下，可選擇包裹長度為6d作為最小包裹長度。

4 結(jié) 論

(1)對深厚海相淤泥質(zhì)土地基采用預(yù)成孔加筋濾網(wǎng)碎石樁處理方法，經(jīng)超重型動力觸探、平板載荷試驗檢驗，單樁豎向承載力、樁體密實度滿足設(shè)計要求，單樁豎向承載力特征值約是普通碎石樁的2.4倍。

(2)加筋濾網(wǎng)對碎石樁的側(cè)向約束作用、承載力貢獻均存在尺寸效應(yīng)。當(dāng)樁體直徑較大時(d≥1 200 mm)，加筋濾網(wǎng)對樁身碎石的側(cè)向約束作用減弱，對承載力的提高作用減小，碎石樁體發(fā)揮主要作用。

(3)加筋濾網(wǎng)碎石樁在(2～3)d深度范圍內(nèi)樁身碎石密實度對單樁豎向承載力有顯著影響，對由樁頂至3d深度范圍內(nèi)的碎石經(jīng)3 000 kN·m能級強夯加固，單樁豎向承載力特征值較夯前提高約4.1倍。

(4)加筋濾網(wǎng)包裹長度對碎石單樁的沉降、徑向變形的影響與豎向荷載大小有關(guān)。當(dāng)豎向荷載P=200～250 kPa時，對于HP470型加筋濾網(wǎng)，在滿足承載力和變形的要求下，可選擇包裹長度為6d作為最小包裹長度。