格栅碎石桩加固软基机理研究与应用实例分析

　　摘要：利用格栅碎石桩来加固软基，是一种有效的加固形式，本文分析了格栅碎石桩的机理，并介绍其在工程上的实际应用。
　　关键词：格栅，碎石桩，软基，加固，分析
　　
　　1引言
　　碎石桩加固法源自德国工程师发明的振动水冲法，在该法的基础上发展而来。从最初仅应用于加固砂基，发展到如今广泛应用于各种软基的加固，应用范围越来越广，也在工程施工中发挥着重要的作用。碎石桩的加固机理因具体的施工情况而有所差异，发挥的主要作用是挤密、置换与排水固结，采用碎石桩法加固地基既可以提高地基的承载力降低压缩量，也可以配合砂垫层等其他措施加快软土地基的固结沉降速度，从而达到加固地基的目的。本文针对格栅碎石桩加固机理与计算方法展开探讨，并对格栅碎石桩在工程应用中的案例展开分析。
　　
　　
　　图1格栅碎石桩示意图
　　Fig1Sketchofgeogridgravelpile
　　
　　2碎石桩处理软基的原理
　　2．1碎石桩加固软基机理简介
　　碎石桩属于粗颗粒土桩，具有和砂桩同样的效果，在加固软基这方面，有着相似的机理。用碎石桩加固软基，主要起到了以下两种作用。
　　① 置换作用：铺设碎石桩并成型后，密度高且桩距大，与周围的土体构成了复合地基，碎石桩的硬度较大，在变形协调的作用下，地基中的应力大部分分布在碎石桩上，因此碎石桩将承受大部分的荷载。这样的情况下，硬度较高的碎石桩将会提高复合地基的承载力，同时，抗剪强度也会得到大幅度的提升，直接提高了路基的抗滑稳定性。
　　② 排水固结作用：碎石桩的透水性较好，成桩后在软土地基中形成排水管道，能起到排水砂井的效果，排走水分，固结软基。
　　2．2碎石桩的计算
　　碎石桩的计算过程与其它地基类似，差别不大，主要集中在某些具体的方面。主要的计算有：
　　2.2.1桩极限承载力计算
　　式（1）是单桩极限承载力的精确计算公式。
　　
　　(1)
　　式中：
　　：单桩极限承载力，kN;
　　：被动土压力系数；
　　：桩体侧向极限应力，kPa。
　　实际操作中，为了简化计算步骤，也可以采用式（2）来计算。
　　
　　（2）
　　式中：
　　地基土不排水抗剪强度，kPa。
　　
　　2.2.2复合地基承载力计算
　　碎石桩在软基中成形后，由碎石桩和土体承担地基荷载，计算承载力之前要计算不同材料承担的荷载应力比，这与材料的弹性模量之比有关。计算过程可由式(3)表达。
　　
　　
　　(3)
　　式中：
　　P：复合地基的承载力，kPa；
　　Ps:作用于桩间土体上的应力，kPa；
　　m:面积置换比，m=Ap／A，A为一根桩所分担面积，m2;
　　n:桩土应力比，n=Pp／Ps，Pp为碎石桩的应力，kPa。
　　
　　2.2.3软基变形计算
　　经过碎石桩加固后的软基，在计算变形的时候要用分层综合法来计算，按标准来计算复合土层的压缩模量Ep，计算过程如下：
　　Esp=[1+m(n-1)]XEs
　　(4)
　　式中：
　　Esp:复合土层的压缩模量，MPa
　　Es:桩间土的压缩模量，MPa
　　
　　2．3格栅在格栅碎石桩中的作用
　　碎石桩的组成材料都是散体，因此承载能力不仅与材料本身的强度有关，而且也取决于周围原性粘土的径向支持力的大小。承载负荷后，碎石桩将会产生径向变形，如果周围的土体不能提供足够的侧向约束力，桩体受到荷载的影响，就会发生膨胀，引起桩体的破坏。在碎石桩桩体加上一圈格栅之后，桩体周围将具有一定的侧向约束力，并且格栅的强度较大，能够承载碎石桩的径向压力，并将压力分散到周围土体中，同时围束散体材料，增强桩体的强度以及竖向稳定性。另外，采用格栅，还能在土基中建立良好的排水管道，迅速排出软基水分，达到排水固化的效果。
　　
　　3工程实例
　　3.1工程背景
　　广湛高速公路官渡至源水段起于官渡，途中经过石门大桥与源水高架桥，在源水终止，全长18.323千米，为广东省“九五”期间重点建设项目计划。它直接贯通了湛江地区与珠三角，形成了湛江经济发展的大动脉之一，对于改善湛江的投资环境具有重要的意义，同时，随着广湛高速的建设，公路网得到了完善与发展，加强了粤西经济发达地区之间的联系。
　　3．2气候情况
　　广湛高速公路官渡至源水段地处湛江北郊，属南亚热带季风海洋性气候，常年温暖，潮湿，雨量充沛，初夏的暴雨常引起强劲的地表径流，对路基的破坏作用较明显。
　　3.3地质情况
　　广湛高速公路沿线地质情况良好，沿线软土不发育。大部分软基厚度小、分布范围小，采用换土法就可以处理这些软基。在K391+804-865处软基厚底较大，因此只采用换土法无法解决土基不稳的问题，只有对软基进行综合整治，才能保证软基具有较高的抗剪强度和稳定性，同时保证路堤的强度与稳定性。
　　3.4软基处理方案的选定
　　地基是承托路堤的基础，软基的低强度和易变形的特性无法满足路基的使用要求，因此要采取恰当的措施进行人工加固与处理，才能保证公路的稳定性。根据长期以来的施工经验，当路堤填土高度大于软基的极限填土高度，一般都需要采取措施对地基进行处理。在本工程案例中，该处软基无硬壳层，且地基比较均匀，因此在计算故路堤的极限填土高时可参照式（5）来计算。
　　Hc=(NsXCk)/r
　　(5)
　　式中，Hc：极限高度，m；
　　Ns：稳定因数；
　　Ck：软土的快剪粘聚力，kPa；
　　r：填土容重，kN／m3。
　　
　　对该工程的软基进行计算与分析，按式（5）可计算得出的路堤极限高度的变化范围，在4．2～5．3m之间浮动，而该处路堤高度为8~10m，理论极限高度与该处路堤高度相对比，已经大大超出了理论高度的范围。因此，该处软基需要经过处理后才能进行下一步的施工。稳定和沉降(包括差异沉降)是在软基上施工必须考虑的因素，可采用多种方法处理该处地基。在处理该处地基的过程中，施工单位提出了两个处理方案，一个是利用袋装砂井，同时配合砂垫层来综合处置；另一个方案是则是引入格栅碎石桩对软基进行综合化处理。袋装砂井法的优点是成本造价低，作用的原理是提高软基排水固结的速度，缺点也是显而易见的，就是工期较长，工后沉降比较大。而格栅碎石桩的成本较高，但能较大程度上提高软基的承载能力，同时，工期较短。经过综合比较，本工程选择了格栅碎石桩来对软基进行加固。同时还将土工格栅铺设在路堤底部，解决路基不均匀沉降的问题。
　　
　　4结论
　　在施工中对软基进行恰当的处理，是提高工程施工质量、如期完成施工、不降低项目使用功能的重要保障。因此要选择合适的软基处理方案对其进行处理。在实际应用中，格栅碎石桩综合处理软基的设计方案具有的高可靠性、快固结速度以及高承载能力，有着独特的优势，能缩短工期，直接产生经济效益，同时也能保证施工后的使用效果，因此在广湛高速公路源水至官渡段软基处理设计中，选用了这种方法，并收到了良好的效果。
　　
　　引用：
　　[1]崔溦,碎石桩联合土工格栅复合地基处理湿地软基的机制研究,《岩土力学》[J],2009,30(6)
　　[2]刘润,格栅碎石桩加固软基的机理及计算方法,《天津大学学报》[J],2009,42(9)

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