路堤荷载下桩网复合地基承载特性研究

第３期（，￣．Ｊｇ２１６期）　山西交通科技　１　生　ＳＨＡＮＸＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ｏｆ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｎｏ．３　ｌｕｎｅ　

路堤荷载下桩网复合地基承载特陛研究　

何广龙　，王凤艳　

（１．朔州高速公路建设管理处。山西　朔州０３６９００；　

２．山西大同大学数学与计算机科学学院，山西　大同０３７００９）　

摘要：桩网复合地基通过桩体、碎石垫层、土工格栅以及桩间土共同作用，可以将上部路堤　

荷载有效地传递至下卧硬土层。针对桩网复合地基和传统的桩承式复合地基两者的结构性区　

别，对其荷载传递特性进行了对比分析。同时通过数值模拟对桩网复合地基承载特性进行分　

析。结果表明：桩网复合地基可以有效减小路堤整体沉降和不均匀沉降，提高桩土应力比和路　

堤整体稳定性。最后，通过路堤沉降和格栅轴力两项指标对桩网复合地基设计中各项重要参数　

进行了敏感性分析，可为桩网复合地基设计和工程实践提供理论参考。　

关键词：路堤；复合；地基；土工格栅；承载；特性；数值；模拟　

中图分类号：Ｕ４１２．２２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－３５２８（２０１２）０３－０００１－－０４　

Ｏ引言　

山区高速公路建设过程中，不可避免地会穿越　

一些不宜建筑路堤的不良地基，包括深厚高压缩性　

软土、淤泥质软土、软弱夹层和泥炭土等等。在这些　

不良地基上修筑路堤，特别是高填方路堤时会遇到　

地基承载力不满足要求，路堤沉降过大，不均匀沉降　

引起路面开裂以及整体稳定性不足等问题【”。桩承式　

复合地基作为一种快速、高效的地基处理方法，在工　

程实践中应用广泛，其作用机理也进行了深入的研　

究翻。随着桩承式复合地基的广泛应用，工程造价过　

高、沉降和不均匀沉降仍然明显以及整体稳定性不　

高等问题却越发明显。为了提高地基处理质量，降低　

工程造价成本，一种新型地基处理方法一桩网复　

合地基孕育而生。桩网复合地基由桩体、碎石垫层、　

土工格栅、桩间土和下卧硬土层组成，通过桩体、碎　

石垫层、土工格栅和桩间土的共同作用，将上部路堤　

荷载传递至下卧硬土层，可以有效减小路堤整体沉　

降和不均匀沉降，提高路堤整体稳定性。同时加筋垫　

层的加入，提高了桩体效率，可以通过增大桩间距降　

低工程造价成本。　

目前，针对桩网复合地基，国内外学者对其作用　机理已经进行了一定研究：Ｈａｎ对比分析了传统桩　

承式复合地基和桩网复合地基的作用机理，并通过　

数值模拟对相关设计参数进行了敏感性分析四；　

Ｚｈｅｎｇ基于平面应变假设，通过数值模拟分析了桩　

网复合地基在路堤填筑过程中软土地基内部的超孔　

隙水压力的分布规律和随时间的变化规律；　

Ａｂｕｓｈａｒａｒ基于Ｈｅｗｌｅｔｔ土拱理论考虑路堤土拱效　

应，基于圆弧变形理论考虑筋材张拉膜效应，提出了　

一种联合路堤土拱效应和筋材张拉膜效应的桩网复　

合地基桩土应力比计算方法；饶为国假设土工格栅　

加筋垫层为一定刚度的薄板，推导出了桩网复合地　

基沉降计算式啡；郑俊杰假设筋材变形为圆弧形，忽　

略路堤填土的土拱效应，推导出了简化的桩网复合　

地基计算方法阎；马强采用极限平衡理论，推导了桩　

网复合地基格栅上下表面荷载计算表达式阎；张军将　

路堤填土、筋材、桩体、地基土作为整体考虑，基于大　

挠度薄板理论考虑筋材张拉膜效应，并通过有限差　

分法提出了二维和三维的桩网复合地基的设计计算　

理论忉。但由于桩网复合地基影响因素众多，桩一筋　

材一土相互作用机理复杂，现有的研究成果无法全　

面考虑其承载特性。　

本文针对传统桩承式复合地基和桩网复合地基　

收稿日期：２０１１—１１—２０；修回日期：２０１１—１２—３１　作者简介：何广龙（１９６７一　），男，山西山阴人，总工程师，高级工程师，大学本科，２００２年毕业于长安大学土木工程专业；　王凤艳（１９７Ｏ一　），女，山西山阴人，副教授，理学硕士，２０００年毕业于山西大学基础数学专业。　基金项目：山西省交通建设科技项目１０—２－０５。

　山西交通科技　２０１２年第３期　

结构特性的区别，对比分析了两者荷载传递机理，并　

通过数值模拟对桩网复合地基的承载特性进行了系　

统分析。最后，通过路堤沉降和格栅轴力两项指标对　

桩网复合地基中的格栅抗拉刚度、桩体弹性模量和　

桩径等重要设计参数进行了敏感性分析。　

１荷载传递机理　

在路堤柔性荷载作用下，传统的桩承式复合地　

基与桩网复合地基各组成部分相互作用机理示意图　

如图１所示。图１中除去加筋部分为传统桩承式复　

合地基中路堤填土、桩、地基土相互作用机理示意　

图。由于桩与地基土之间存在刚度差异（如图１所　

示，　和后。分别为桩体和地基土刚度，　，＞　。），在路　

堤柔性荷载作用下，地基顶面桩间土沉降大于桩体　

沉降。产生的差异沉降引起桩间土上部路堤荷载与　

桩顶路堤荷载产生相互剪切作用，该剪切作用力使　

得桩顶路堤荷载约束桩问土上部路堤荷载沉降变　

形，将部分桩间土上部路堤荷载传递至桩顶，即土拱　

效应。　

图１桩网复合地基作用机理示意图　

与传统的桩承式复合地基相比，桩网复合地基　

在桩顶与路堤填土之间添加了一层土工格栅加筋垫　

层。除在桩顶形成土拱效应外，由于加筋垫层的存　

在，桩土差异沉降引起筋材张拉变形，使得筋材对桩　

间土上部荷载提供一上托举力，减小了路堤沉降和　

不均沉降，增加了路堤荷载传递效率，提高了路堤整　

体稳定性。　

综上所述，相对于传统的桩承式复合地基，桩网　

复合地基可以有效减小路堤整体沉降和不均匀沉　

降，提高桩土应力比和路堤整体稳定性。　

２工程实例　

某山区高速公路一路桥过渡段（如图２所示）采　

用桩网复合地基处理高填方路堤下软土路基。工程　

概况如下：路堤顶面宽２４　ｉｎ，填土高度６　ｍ，路堤坡　

率１：２，地下水埋深０．２　ｍ左右，桩长１２　ｍ，桩径　

０．５　ｍ，桩间距３　ｍ，桩端落人基岩。桩体弹性模量　

１．０×１０　ＭＰａ，泊松比Ｏ．２。筋材弹性轴向刚度　

ＥＡ＝８６　ＭＮ／ｍ，路基底面设置Ｏ．５　Ｉｎ厚的砂石垫层。　

路堤分级填筑，填筑过程如图３所示。　ｌ２．Ｏ　

　／　堤填土　计算　司　加筋材料＼／　模型　

、．　爨　软黏土　

∞　桩——　

Ｋ　粉质黏土　一ｔＯ：　

Ｉ　９Ｉ　ａ　０　Ｉ旦　

坦　刊　图２有限元计算模型　

０　１０　２Ｏ　３０　４Ｏ　６Ｏ　６０　填筑时同／ｄ　－　

图３路堤填筑过程　取路堤中心处两桩处理范围为数值模拟计算分　

析模型，如图２所示。数值模拟采用岩土工程专业有　

限元软件ＰＬＡＸＩＳ。数值模拟计算模型对深度进行了　

一定简化。计算模型地基土采用１５节点三角形高精　

度单元。筋材采用有限元内置格栅单元，桩体采用有　

限元内置桩板单元。筋一土及桩一土之间设置接触　

单元，界面接触单元由５对节点组成。计算模型中路　

堤填土及地基土采用莫尔一库仑准则，桩体和加筋　

材料采用线弹性模型。桩网复合地基中土工格栅设　

置于砂垫层中间。计算采用的土性及相关参数见表１。　

表１数值模拟计算参数　天然　饱和　渗透　压缩　黏聚力　内摩　厚度　土层　重度　重度　系数　模量　泊松比　ｋＰａ　擦角　ｋＮ／ｍ３　ｋＮ｜　ｃｍ／ｓ　ＭＰａ　（。）　路堤填土　２０．４　２０．９　２．１５ｘｌ　３０．２　Ｏ＿３０　３２　２８．５　６．Ｏ　砂石垫层　２１．３　２２．１　２．３１ｘｌ０－３　２６．０　Ｏ．３０　１．５　３０．５　Ｏ．５　软黏土　１９．２　２０．１　４．７５ｘｌ　４．３　Ｏ．３５　４．０　１９＿３　８．４　粉质黏士　１９．１　２０．３　２．３６：＜１０－ｓ　６．４　Ｏ．３３　３．０　２２．２　３．６　土工格栅　轴向刚度：８６　ＭＮＩｍ　

３数值模拟分析　

３．１计算结果分析　

格栅最大轴力随着路堤填筑高度变化曲线如图　

４（第３页）所示。当路堤填筑高度为１　ｒｌｌ时，格栅最　

大轴力为７．８　ｋＮ／ｍ。随着路堤填筑高度的增大，格栅　

最大轴力显非线性变化。当路堤填筑高度较小时，格　

栅最大轴力显著增长，随着路堤填筑高度的增加，格　

栅最大轴力增长速率逐渐减小。当路堤填筑高度为　

６　ｉｎ时，格栅最大轴力只有３５．８　ｋＮ／ｍ。分析原因：当　

路堤填筑高度较低时，在路堤填土中土拱还未完全　＆屯＆幺Ｌ

仉　２０１２年第３期　何广龙，等：路堤荷载下桩网复合地基承栽特性研究　・３－　

形成，大部分路堤荷载通过格栅张拉膜效应传递至　

桩顶，但随着路堤填土高度的增大，在路堤填土中土　

拱逐渐形成，路堤荷载通过土拱效应传递至桩顶的　

比例逐渐增大。因此，随着路堤填筑高度的增加格栅　

最大轴力增长速率有放缓趋势。　

茸　●　互　＼　摒　斗＜　略　寒　蜂　

图４筋材轴力与填筑高度关系曲线　图５所示为路堤填筑完毕后，格栅轴力分布曲　

线。格栅轴力在桩顶处达到最大值，最大轴力高达　

３５．８　ｋＮ／ｍ。随着距桩体距离的增大，格栅轴力逐渐　

减小，当距桩体距离１．０　ｍ时格栅轴力等于０。可以　

看出，格栅通过张拉膜效应只能将桩周一定范围内　

路堤荷载传递至桩顶，对超出影响范围的路堤荷载　

作用不大。　

昌　●　至　＼　暴　

竭　Ｖ　Ｖ　

图５筋材轴力分布曲线　图６所示为随着路堤填筑高度的增加，路堤顶　

面最大沉降量逐渐增大。可以看出，路堤顶面最大沉　

降量随着路堤填筑高度的增加显非线性增长。当路　

堤填土高度为３　ｍ时，路堤顶面最大沉降量为　

３５．９　ｍｌｎ，而路堤填土高度为６　ｍ时，路堤顶面最大　

沉降量增长到７８．８　ｎｌｒｆ１．。在路堤填土高度增长１倍　

的情况下，路堤顶面最大沉降量增长了１．２倍。　

填土高度／皿　

量　＼　咖　螯Ｅ　娉　

嚼　

图６沉降与填筑高度关系曲线　如图７所示为路堤填筑完毕后，桩身剪力和桩　

身弯矩分布曲线。可以看出，桩身剪力在桩顶处最　

大，最大值高达４．０　ｋＮ，随着桩体深度的增加，桩身　剪力显著减小，当距地面１－２　ｍ范围内反弯点，随　

后随着桩体深度的增加，桩身剪力逐渐减小。当距地　

面深度为４　ｍ时，桩身剪力为０，即桩身剪力对桩体　

的影响范围为４　ｍ。与桩身剪力分布规律不同，桩顶　

处的桩身弯矩为０，随着桩体深度的增加，桩身弯矩　

显著增大，距地面深度为０．５　ｍ时，桩身弯矩达到最　

大值，随后随着桩体深度的增加，桩身弯矩逐渐减　

小。同样地，在本次数值模拟计算中桩身弯矩对桩体　

的影响范围同样为４　ｍ。　桩身剪力／ｋＮ　

桩身弯矩／ｌ【Ｎ・ｍ　图７桩身剪力和弯矩分布曲线　

３．２参数分析　

为了更全面地了解桩网复合地基作用机理，通　

过路堤顶面最大沉降量和格栅最大轴力两项重要指　

标对桩网复合地基中的格栅抗拉刚度、桩体弹性模　

量和土体模量等重要设计参数进行了敏感性分析。　

图８和图９分别为随着格栅抗拉刚度的增大，格　

栅最大轴力和路堤最大沉降量变化曲线。如图８所示，　

随着格栅抗拉刚度的增长，格栅最大轴力显非线性增　

长。格栅抗拉刚度从１００　ｋＮ／ｍ增长至１００　ＭＮ／ｍ，格　

栅最大轴力从１．７　ｋＮ／ｍ增长为３５．８　ｋＮ／ｍ，格栅最　

大轴力增长了２０倍。随着格栅抗拉刚度的增长，路　

堤顶面最大沉降量逐渐增加（如图９所示）。当格栅　

刚度较小时，格栅对沉降量的影响不大，随着格栅刚　

度增大，格栅对沉降量的影响逐渐增大。可以看出，　

路堤顶面最大沉降量变化趋势与图８相似，即格栅　

对沉降量的影响可以通过格栅最大轴力反映。　

目　●　互　＼　暴　斗＜　嚼　患　瓣　格栅刚度／ｌ‘Ｎ・ｍ　

图８格栅剐度对格栅最大轴力的影响