桩承土工合成材料加筋垫层复合地基作用原理及应用.pdf

第26卷第5期 岩 土 力 学 Vol.26 No.5 2005年5月 Rock and Soil Mechanics May 2005 收稿日期：2003-11-17 修改稿收到日期：2004-01-12 作者简介：晏莉，女，1979 年生，博士研究生，从事岩土和隧道工程研究工作。E-mail:yl_ 文章编号：文章编号：10007598(2005)05082106 桩承土工合成材料加筋垫层复合地基桩承土工合成材料加筋垫层复合地基 作用原理及应用作用原理及应用 晏晏 莉莉1，阳军生，阳军生1，韩，韩 杰杰2（1.中南大学 土木建筑学院，长沙 410075；2.University of Kansas,Lawrence,Kansas 66045 USA）摘摘 要：要：桩承土工合成材料加筋垫层法是近些年发展起来的一种有效的软土地基加固方法。简要地介绍了桩承土工合成材料加筋垫层法的设计和使用情况，主要包括其作用机理、设计方法和工程应用。桩承土工合成材料加筋垫层法主要适用于软土地基下有承载力较大的坚硬土层或岩层，上部有一定的填土高度，工期紧张，对总沉降和不均匀沉降有要求比较严格的情况。目前该方法已经被广泛应用于公路、铁路、桥台后过渡段、分段挡土墙、旧路加宽和房屋建筑的一些实际工程中。关关 键键 词：词：桩；土工合成材料；复合地基；加筋垫层；软土地基 中图分类号：中图分类号：TU 447 文献标识码：文献标识码：A Geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platform composite foundation YAN Li1,YANG Jun-sheng1,HAN Jie2（1.School of Civil&Architecture,Central South University,Changsha,410075,China；2.University of Kansas,Lawrence,Kansas 66045,USA）Abstract:Geosynthetic-reinforced and pile-supported(GRPS)earth platform has been emerged as an effective alternative successfully adopted worldwide to solve many geotechnical problems.This paper provides the state of the practice review of the use and design of GRPS embankments.The review includes working mechanisms,design considerations,and applications of GRPS embankment systems.The review concludes that GPRS embankment systems are most suitable for situations with a very soft soil underlain by a stiff soil layer or bedrock,new fill with certain thickness needed,rapid construction necessary,and strict total/differential settlement required.The common applications of these systems include bridge approach,roadway widening,and railroads or highways across soft soil.Key words:pile;composite foundation;geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platform 1 引 言 在软土地基上兴建大型建筑，比如房屋、路堤、油罐等时，地基的承载力、沉降和不均匀沉降、土的侧向压力与位移以及边坡稳定性都是值得重视的问题。已有许多种软弱地基处理方法，如填土预压、换填土、砂井、深层搅拌法、强夯法、粉喷桩法等，针对不同的软土地基加固，都取得了一定的效果。近些年，国内外兴起了一种新的软土地基加固方法，即桩承土工合成材料加筋垫层法（geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platform 简称GRPS1），这种方法已经成功地用来支撑建筑物，并且收到了良好的效果。桩承土工合成材料加筋垫层法，即在对软土地基进行加固的桩顶上铺设一加筋垫层，而加筋垫层是在基底的砂或碎石垫层中加铺一层或多层土工合成材料（如土工布、土工织物、土工格栅等）而形成，这样可使路堤填土荷载更均匀地作用于桩顶及桩间土，防止路基的不均匀沉降，保证路基的稳定性。复合地基可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基2，加固后的软土地基多属于其中一种复合地基。桩承土工合成材料加筋垫层法形成的平铺加筋群桩复合地基，既有水平向增强体 岩 土 力 学 2005 年（加筋垫层），又有竖向增强体（群桩），能取得更好的效果。因土工合成材料有着较高的拉张力，使得软土地基上的路堤在加筋后能够提高地基承载力，减少不均匀沉降和保持边坡稳定。桩基加固软土时，上部荷载大部分由桩承担，而桩间土只承担小部分。因而可以加快施工进度，明显地减少总沉降和不均匀沉降，减少土压力，亦可避免特殊地段的开挖与充填。不过，由于路基侧向推力的存在，桩基加固地基需要在外缘设置斜桩，为了通过土拱效应有效地将上部荷载传递到桩和使桩间土的弯沉以及反射到路基表面的弯沉最小，必须把桩布置成密桩或者需要采用尺寸较大的桩帽。桩承土工合成材料加筋垫层法兼备了上述土工合成材料或桩基加固软基的优点，两种方法的结合使得它具有了以下长处：（1）加筋垫层的存在，提高了桩土的应力分担比，增加了由土到桩的荷载传递，同时也减少了桩间土的不均匀沉降；（2）可以由桩基所需的密桩布置改为疏桩布置，使得用桩数量大为减少，或者桩帽可以由大尺寸改为小尺寸；（3）由于加筋垫层可限制土体的侧向变形与位移，故可以不设置外缘斜桩；（4）桩数量的减少可加快工程建设进度，提高经济效益。该法主要适用于软土地基下有承载力较大的坚硬土层或岩层，上部有一定的填土高度，工程施工时间比较紧张，须在短时间内完成，对总沉降和不均匀沉降有比较严格要求的情况。2 复合地基的组成及工作机理 2.1 复合地基组成复合地基组成 桩承土工合成材料加筋垫层复合地基的组成通常如图 1 所示。图图 1 平铺加筋垫层群桩复合地基组成示意图平铺加筋垫层群桩复合地基组成示意图 Fig.1 Components of GRPS embankment system 图1显示，平铺加筋垫层群桩复合地基是由8 部分组成，其中的核心部分是桩和由砂砾填料与土工合成材料形成的加筋垫层。相对于一般的用桩基加 固软土地基的方法，这种方法允许降低桩帽覆盖率 可达3%20%，相应导致桩间距增加以及桩帽尺 寸减小，若桩身体积较大时，也可不设置桩帽。在以往不同的工程实例中，土工合成材料在垫层中有只铺设一层也有铺设多层的。2.2 作用机理作用机理 桩帽、地基土、路基填料和土工合成材料的相互作用关系如图 2 所示，图中，W 为自重；H 为填土高度；为桩帽之上填土的抗剪力；c为直接作用于桩（桩帽）顶端的平均应力；s为直接作用于桩（桩帽）间土之间的平均应力；sr为桩（桩帽）间土之上土工合成材料的平均应力。在自重的作用下，桩间的路基填土有向下位移的趋势。桩帽之上填土的抗剪力 抵抗了这种位移。这种抗剪力减少了作用于土工合成材料上的压力，但却增加了作用于桩帽上的荷载。这种荷载传递机理即为 Terzaghi定义的土拱效应。图图 2 桩帽、路基填土和土工合成材料的相互作用关系桩帽、路基填土和土工合成材料的相互作用关系1 Fig.2 Interactions of pile caps,geosynthetic reinforcement,and embankment fill1 与没有加筋垫层的情况相比，在垫层中加入土工合成材料后能减少桩帽之间路基填土的位移。位移减少能相应地减少抗剪力，使得路堤的土拱效 应最小，而使土拱效应传递到桩上的荷载减少。但是，作用于桩帽上的力会由于加筋层拉力的竖直分量而增加。只有一层土工合成材料的加筋层作用时就象一拉伸的薄膜，而含有多层土工合成材料的加筋层在作用时，由于土工合成材料与周围填土之间的互锁更象是梁或是板。Fluet 等3指出“梁”加固系统比完全柔性的（“薄膜”）加固系统的效果更好。Giroud 等4 和英国 BS 80065 提出了相似的原理估算“薄膜”加固系统中的拉力。Wang 等6 在假设了一个类似凝聚力的前提下考虑多层筋材的情况。土拱效应和拉张薄膜效应都与支承体（桩和桩帽）和地基土的相对刚度有关。刚性支承体促进了W H c s csr 822 第 5 期 晏 莉等：桩承土工合成材料加筋垫层复合地基作用原理及应用 桩与软土之间的不均匀沉降，导致更大的土拱效应与薄膜拉张效应。文献7的数值分析已经证实了这个结论。荷载传递的程度可以用应力分担比 n 这个参数来反映（=nc/s）。一般认为荷载的传递机理是土拱效应、薄膜拉张效应或刚性平台效应和桩与土相对刚度效应的组合。由各种机理形成的荷载的传递依赖于几个因 素：土工合成材料加筋的层数和拉张强度、路基填料和地基土的性质以及成桩材料和土的模量。3 设计方法 平铺加筋群桩复合地基的设计，包括桩和垫层的设计，主要有桩型选择、布置方式、垫层厚度及土工材料铺设层数，其中关键在于如何确定筋材所受拉力从而选择筋材的方法，现有的方法主要有：Catenary 法、Carlsson 法、英国 BS8605 法和 SINTEF法。3.1 Catenary 法法 John8提出了计算筋材应变和其内部产生的拉力的公式：11614ln8161212n2rn2r2rn2n2rr+=bSbSSbbS（1）()2r2nnssrr16121SbbT+=（2）式中 r为筋材产生的应变；rS为筋材最大的挠度；nb为桩帽的净间距；rT为筋材内产生的拉力；sr为筋材上的平均垂直应力；s为作用于筋材下部的平均垂直应力（土的抵抗力）。基于土拱率可以确定作用在筋材上的平均垂直应力。此外，John假设H15.0s=。确定筋材产生的应变和拉力的过程是：假设筋材的一个最大挠度值；利用式（1）计算筋材的应变；利用 式（2）计算筋材的拉力；利用计算的拉力和实验得出的筋材的拉力-应变曲线来计算应变；调整最大的挠度值，再重复以上的步骤直至达到收敛，即第步和第步计算的应变相差不大。3.2 Carlsson 法法 Carlsson9提出了一个简单的公式来计算二维平面内筋材的最大挠度：nrr83bS=（3）挠曲在筋材内产生的拉力可以用下式为 2n2rr3nr16115tan32bSSbT+=o （4）式中各符号意义同前。瑞典Rogbeck等考虑三维效应提出了三维修正因子：abf21nD3+=（5）式中a为桩帽的宽度。将式（5）和式（4）相乘就可得到三维效应的筋材的拉力。3.3 英国英国 BS8605 法法 英国BS8605标准提出了计算桩帽间筋材拉力的方法5，公式如下：rr6112)(+=aabqHT （6）式中 q为路堤表面的均布荷载；为土拱率；b为桩帽中心之间的间距。Russell和Pierpoint考虑三维效应修正了式（6）得到：r22r6114)(+=aabqHT （7）对于一般的工程，英国BS8605法推荐筋材的初始拉伸应变不超过6%，而且，对于低路堤的限制更小，以防止路堤表面的不均匀沉降。此外，该标准提出，在设计寿命内最大的蠕变应变为2%。3.4 SINTEF 法法 Svan等10在SINTEF提出，筋材在桩帽上的延伸应该计入筋材的应变之中，并提出公式：+=nTrr1ba （8）式中 r为筋材的“修正”应变；r为考虑桩帽的净间距之间一个自由跨度上筋材的应变；T为拉伸率，定义为 rrcTTT=（9）式中rcT为桩帽上筋材的平均拉力。文献7通过数值分析发现，桩帽上筋材的拉力比自由跨度上筋材的拉力要大，文献11中没有提出确定T拉伸率的方法,但提出用下式来估计筋材的拉力：rsrr6112+=bT （10）823 岩 土 力 学 2005 年 通过以上方法，可以根据不同的情况选取不同的计算方法来确定筋材的受力而选择合适的筋材，这对指导设计与施工有着重要的意义。必须指出，以上方法均忽视了桩间地基土的支承作用。4 应用实例 桩承土工合成材料加筋垫层法，应用范围主要包括：（1）路堤软土地基加固，尤其是低填土路基的软土地基加固；（2）桥台后过渡段软土地基加固，以防止出现桥头跳车现象；（3）高填土分段挡土墙的软土地基加固；（4）旧路改造中扩建的新路堤的软土地基加固，以防止新老路基过大的差异沉降；（5）房屋建筑软土地基加固；（6）贮藏油罐软土地基加固，这种方法已经成功地在美国、德国、英国、瑞典、巴西、日本等国家得以应用1115，我国也有成功的工程应用实例的报导1621。4.1 公路与铁路公路与铁路 湖南省益常高速公路 k81+80k81+180 路段作为试验工程采用了粉喷桩结合CE131土工格网进行软土地基加固，明显减少了路基的沉降量17。潭邵高速公路 k127+305k127+650 路段地基为饱和软粘土地基，采用水泥粉喷桩处治，在桩顶铺设一层砂砾垫层，垫层上布设一层土工布，然后铺设两层土工格网，土工合成材料（土工布、土工格网）层间填土20。南昆线永丰营车站的软土地基加固，是较早使用桩承土工合成材料加筋垫层法的工程实例19，1993年初原站场路基竣工后不久，发现线路左侧水田隆起，路基多处下陷开裂，变形严重，多处浆砌片石护脚墙损坏。后经勘探查明，地基硬壳层下分布多层淤泥质粘土，且夹硬粘土层，往下还有一层较厚的淤泥质粘土，由于此两层淤泥质粘土含水量大，各项物理力学指标特别低，在填土作用下导致地基变形。考虑到地层的复杂性和特殊性，为确保铺架工期，决定采取3项加固措施：（1）线路向右侧移动30 m；（2）软土地基采用粉喷桩加固，减少桩的数量和深度；（3）在软土区的路堤下部增设23层CE131型土工格网，以增加路基早期稳定性，加快填土速度。从填土开始到通车后分2个阶段，对该段进行了总共为时38个月的观测，从观测结果看，沉降和位移均匀，其值都在设计范围之内，而且在填土达到设计标高10个月后不再有较大的发展，说明路基已趋向稳定。全站路基填土只用了4个月，为全线铺轨赢得了工期。4.2 桥台后过渡段桥台后过渡段 在秦沈客运专线中，跨东花公路中桥沈台过渡段，用于加固地基的碎石桩顶部设碎石垫层厚 0.5 m，碎石垫层内铺设一层聚丙烯编织布20；该专线在一些中桥桥台后的软基加固中，还采用了水泥粉体喷射搅拌桩（粉喷桩）和土工格栅进行加固处理21。根据荷载试验以及沉降观测可知，复合地基承载力满足设计要求，用该法加固软土地基可以减少地表总沉降量，并能在较短时间内趋于稳定，有效地减少路与桥过渡段之间的差异沉降，保护桥台桩基不受过大的侧向推力。图3为Reid 等采用该方法解决作用在软土地基上引线路堤和由长桩支撑的桥台产生差异沉降的问题7。图图 3 桥台过渡支撑桩桥台过渡支撑桩7 Fig.3 Bridge approach support piles7 4.3 分段挡土墙分段挡土墙 在巴西，桩承土工合成材料加筋垫层法，也用来支承土工格栅加固的，作用在9 m厚的有机质淤泥和粘土上的分段挡土墙，喷射灌注桩用来支承分段挡土墙，土工格栅加筋垫层作用于分段挡土墙的基底，以减少不均匀沉降11。4.4 旧路加宽旧路加宽 在 Carolina的南部，当要对一旧路进行加宽和加高处理以满足交通需要而增加两个车道时，采用了桩承土工合成材料加筋垫层法12，图4为该工程的一典型横断面。自从该旧路加宽工程1997年完工后，还没有出现任何问题。4.5 房屋地基处理房屋地基处理 Han和Akins在美国俄亥俄州用桩承土工合成材料加筋垫层法来处理自由填土上的房屋建筑12，如图5所示。由于地基土是由高可变性的自由填土和性质不同的新的填料组成，因此，地基的不均匀沉降和总沉降成了该工程的关键问题。桩承土工合成材料加筋垫层法形成的复合地基，提供了相对刚性的平台来过渡作用在下卧层上的填土，从而减少824 第 5 期 晏 莉等：桩承土工合成材料加筋垫层复合地基作用原理及应用 了不均匀沉降。图图 4 路面加宽的典型横断面路面加宽的典型横断面14（单位（单位:m）Fig.4 Typical cross-section of widening roadway14(unit:m)图图 5 作用于桩承土工合成材料加筋垫层上的房屋作用于桩承土工合成材料加筋垫层上的房屋14 Fig.5 A building on the GRPS system14 4.6 贮藏油罐地基处理贮藏油罐地基处理 Shaefer等人在处理厚3.04.5 m的软弱有机质粉土和泥炭土上的贮藏油罐地基时，采用了振动混凝土桩来减少总沉降和差异沉降，在桩顶铺设了3层土工格栅，形成了一个荷载传递平台7。5 结 语 桩承土工合成材料加筋垫层法比较适用于软土地基下有坚硬土层或岩层（地基承载力较大），上部有一定的填土高度，工程施工工期时间较紧，同时总沉降和不均匀沉降有比较严格的要求。土拱效应、薄膜拉张效应或刚性平台效应和桩与土相对刚度效应被认为是桩（桩帽）上的荷载传递机理，土工合成材料加筋的层数和拉张强度、路基填料和地基土的性质以及成桩材料和土的模量都是影响荷载传递的因素。复合地基的设计关键在于如何确定筋材所受拉力，从而选择筋材的方法，可以选用Catenary法、Carlsson法、英国BS8605法或SINTEF法。桩承土工合成材料加筋垫层法已经被广泛应用于公路、铁路、桥台后过渡段、分段挡土墙、旧路加宽和房屋建筑的一些实际工程中，并且收到了良好的效果，是一个值得推广的很好的软基加固方法。鉴于桩承土工合成材料加筋垫层复合地基作用机理的复杂性，还需要通过进一步研究，揭示其承载和沉降特性，提出桩承土工合成材料加筋垫层优化设计计算图表，以促进这种方法在软土地基处理中的应用。参参 考考 文文 献献 1 Han J.Design and construction of embankments on geosynthetic reinforced platforms supported by pilesA.Proceedings of 1999 ASCE/PADOT Geotechnical Seminar,Central Pennsylvania SectionC.Hershey:s.n.,1999.6684.2 龚晓南.复合地基理论及工程应用M.北京:中国建筑工业出版社,2002.GONG Xiao-nan.The Theory and Application of Composite FoundationM.Beijing:China Architecture&Building Press,2002.3 Fluet J E,Christopher B R,Slaters A R.Geosynthetic stress-strain response under embankment loading condi-tionsA.Proceedings of 3rd International Conference on GeotextilesC.Vienna:s.n.,1986.175180.4 Giroud J P,Bonaparte R,Beech J F,et al.Design of soil layer-geosynthetic systems overlying voidsJ.Geotextiles and Geomembranes,1990,9(1):1150.5 British Standard BS 8006,Code of Practice for Strengthened/Reinforced Soils and other FillsS.6 Wang M C,Feng Y X,Jao M.Stability of geosynthetic-reinforced soil above a cavityJ.Geotextiles and Geomembranes,1996,14(1):95109.7 Gabr M A,Han J.Numerical analysis of geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platforms over soft soilJ.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2002,(1):4453.8 John N W M.GeotextilesM.London:Blackie,1987.825 岩 土 力 学 2005 年 9 Carlsson B.Reinforced Soil,Principles for CalculationM.Swedish:Terratema AB,Linping,1987.10 Svan G,Ilstad T,Eiksund G,Want,A.Alternative calculation principle for design of piled embankments with base reinforcementA.Proceedings of 4th International Conference on Ground Improvement GeosystemsC.Helsinki:s.n.,2000.11 Alzamora D,Wayne M H,Han J.Performance of SRW supported by geogrids and jet grout columnsA.Proceedings of ASCE Specialty Conference on Performance Confirmation of Constructed Geotechnical FacilitiesC.US:American Society of Civil Engineering,2000.456466.12 Han J,Akins K.Case studies of geogrid-reinforced and pile-supported earth structures on weak foundation soilsA.Proceedings of International Deep Founda-tion CongressC.Orlaando:s.n.,2002.668679.13 Alexiew D A,Vogel W.Reinforced embankments on piles for railroads:German experienceA.Geotechnics for Roads,Rail Tracks and Earth StructuresC.Netherlands:Balkema A A,2001.267274.14 Jenner C G,Austin R A,Buckland D.Embankment support over piles using geogridsA.Proceedings of 6th International Conference on GeosyntheticsC.s.l.:s.n.,1998.763766.15 Ohkubo T,Asada S,Karube D.A study on the reinforcing effects of geogrids over laid on pile group for the embankment foundationsA.Earth ReinforcementC.Rotterdam:Balkema A A,1996.641646.16 周德泉,刘宏利,张可能等.粉喷桩处理软弱路基的设计与沉降分析J.地质与勘探,2001,37(2):8083.ZHOU De-quan,LIU Hong-li,ZHANG Ke-neng,et al.Design idea and settlement analysis on reinforcing weak subgrade with powder-spray pileJ.Geology and Prospecting,2001,37(2):8083.17 陈宏友,李彬.桩承土工合成材料复合地基在潭邵高速公路软基处理中的应用J.中南公路工程,2002,27(1):4041.CHEN Hong-you,LI Bin.Use of geosynthetic-reinforced and pile-supported foundations for Tanshao highway on soft soilJ.Central South Highway Engineering,2002,27(1):4041.18 张元进,陈建华.粉喷桩与土工合成材料加筋垫层联合处理明渠软土地基J.广东水利水电,2002,(3):4749.ZHANG Yuan-jin,CHEN Jian-hua.Soft foundation treated by jetting powder pile and cushion reinforced by geotechnical materialJ.Guangdong Water Resources and Hydropower,2002,(3):4749.19 郑忠勤,谭祖保,胡汉忠.用粉喷桩土工格栅加固永丰营车站深层软土路基的施工技术J.路基工程,2000,(3):5861.ZHENG Zhong-qin,TAN Zu-bao,HU Han-zhong.The construction technology of using of dry jet mixing piles and geogrids for stabilizing Yongfengyin StationJ.Roadway Engineering,2000,(3):5861.20 刘训华,唐绪军.碎石桩在秦沈客运专线加固路桥过渡段基础中的应用J.路基工程,2001,(2):4748.LIU Xun-hua,TANG Xu-jun.The application of the stone column for Qinshen railway on subgrade-bridge transition sectionJ.Roadway Engineering,2001,(2):4748.21 谢前军,刘曌.水泥粉喷桩在桥台后过渡段软基处理中的应用J.路基工程,2002,(4):4043.XIE Qian-jun,LIU Zhao.Use of cement powder-spray piles for subgrade-bridge transition section on soft soilJ.Roadway Engineering,2002,(4):4043.826