桩- 网复合地基桩土应力比影响因素分析

梁文文 冷玲倻 周艳华

（江西科技学院，江西 南昌 330098）

1 概述

桩网复合地基具有沉降变形小、变形稳定时间短且造价相对较低等突出优点[1-2]，在国内外公路路堤、铁路路基、机场等深厚软土地基处理中广泛应用[2-5]。桩网复合地基是由桩作为竖向加强体、土工格栅碎石垫层作为水平加强体，与路堤填土及桩间土相互作用的受力体系[2]，其荷载传递机制十分复杂。在上部填土荷载的作用下，由于褥垫层的可变形特性，允许刚性桩体“上穿”产生桩土差异变形，使应力重分配，从而充分发挥了桩、网、土的承载能力，有效控制沉降变形[1-2]。桩土应力比指桩顶平面上桩顶和桩间土的土压力比值，是承载力和沉降计算的重要参数[2，6]，反映了桩- 网复合地基中桩土荷载的分配情况，也是评价加固效果的重要指标，具有十分重要的研究价值[1-2，6]。

本文主要采用理论推导和数值模拟等相结合的方法，考虑拉膜效应影响下对桩一网复合地基桩- 土应力比的变化规律进行研究。

2 桩土应力比分析

桩土差异沉降产生后，褥垫层中的加筋材料开始发生形变，通过产生的拉力将桩间土承受的部分应力传递到桩顶上来。为简化计算，假设加筋材料均匀变形，且变形后挠曲线为二次抛物线，建立平面应变模型如图1 所示。

图1 拉膜效应分析模型

建立如图所示直角坐标系，挠曲线过点M（B，ΔS）得挠曲线方程为：

假设加筋材料均匀变形，筋材平均张拉力T 表示为

3 数值模拟研究

3.1 计算模型的建立

模拟采用通用有限元软件PLAXIS 进行， 采用Mohr-Coulomb 模型对路堤填土、桩间土体以及下卧层上的土体进行模拟；土工格栅采用PLAXIS 中的格栅单元模拟，且仅承受拉力，其拉伸刚度为1000kN/m；褥垫层材料也采用Mohr-Coulomb 模型来模拟；桩体假定为弹性模型；桩与格栅、垫层与土之间的接触问题采用接触单元(Interface Element)模拟。地基土是分层的，为了方便起见，将地基土简化为两层计算。在模型底部和侧面设置水平向约束和竖向固定约束。为了显示初始地应力的作用，在未加入填土荷载前，先考虑在自重作用下对地基土进行计算，获得初始地应力。模拟时假设地下水的水位和地基表面齐平。数值模拟中各土层物理力学参数如表1 所示。

表1 材料的基本力学参数

在本模型中，设置路堤填筑高度为5.5m，预压土高为3m，坡比为1:1.5，路基顶面宽度为16m，路基底宽为38.75m；模型宽70m，高47m；下卧层厚度为20m，加固区厚度为18m；桩长18m，桩间距3.5m，桩顶设置50cm 厚的褥垫层，图2。

图2 有限元计算模型

3.2 桩土应力比影响因素分析

桩土应力比是复合地基中的一个原始概念和计算参数，并且展示复合地基的一个重要内容：桩与周围土体一起承担来自上面传递的荷载。如果从设计方面来考虑，有关承载力和控制沉降的计算，桩土应力比的选取和计算起着决定性作用。

3.3 桩间距对桩土应力比的影响

图3 为桩间距对桩土应力比的影响，从图中可以看出，桩间距对桩土应力比影响较大，随着桩间距的增大，桩土应力比逐渐增加，加筋对桩土应力比影响较小，表2。

表2 桩间距对桩土应力比的影响

图3 桩间距对桩土应力比的影响

3.4 筋带拉伸刚桩土应力比的影响

图4 为筋带拉伸刚度对桩土应力比的影响，从图中可以看出，筋带拉伸刚度可增大桩土应力比，随着筋带拉伸刚度的增加，桩土差异沉降逐渐增大，但增大程度很小。

图4 筋带拉伸刚度对桩土应力比的影响

4 结论

4.1 本文通过理论分析得出了桩土应力比的计算公式，同时分析各因素对桩土应力比的影响。

4.2 桩间距对桩土应力比影响较大，桩间距增大50%，桩土应力比增加了56%，加筋对桩土应力比影响较小。

表3 筋带拉伸刚度对桩土应力比的影响

4.3 筋带拉伸刚度可增大桩土应力比，随着筋带拉伸刚度的增加，桩土应力比逐渐增大，但增大程度很小。