加筋砂石垫层在软弱地基中的应用.doc

加筋砂石垫层在软弱地基中的应用王步云（煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001）摘要：根据模型试验，结合理论分析，探讨了土工合成材料加筋垫层的工作机理、应力扩散角与承载力计算；提出了加筋垫层的实用设计方法。工程监测证实，加筋垫层具有增大压力扩散角，加大压缩层范围内地基的整体刚度，增加地基的稳定性等作用。关键词：加筋垫层；软弱地基；土工带；扩散角。加筋土技术是20世纪60年代以来国际岩土工程领域中的重要发展之一。我国从70年代后期开始了这方面的研究应用。1979年云南煤矿设计院在田坝煤矿以多节半刚性联结的预制钢筋混凝土杆件为加筋材料，成功地建成国内第一座加筋土支挡体系的贮煤槽仓。之后，加筋土支挡工程得到迅速发展。但是将土工合成材料加筋垫层应用于建筑地基的研究应用相对较少。为了在山西广泛赋存的高灵敏饱和软弱地基上建造多层及小高层建筑，我院开展了建筑地基加筋垫层的研究应用，取得了较好的效果。1、问题提出建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）第5.2.7条提出：当地基受力层范围内赋存软弱下卧层时，按下式进行强度验算：Pz+Pczfaz （1.1）式中：Pz软弱下卧层顶面处的附加压力值（荷载标准组合条件），kPa；Pcz软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；faz软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值，kPa。确定Pz的方法，对于条形基础：Pz=b(Pk-Pc)/(b+2ztan) （1.2）对于矩形基础：Pz=lb(Pk-Pc)/(b+2ztan)(l+2ztan) （1.3）式中：b基础底面宽度，m； l矩形基础底面长度，m； Pc工础底面处土的自重压力，kPa； Pc基础底面处的自重压力,kPa； z基底至软弱下卧层顶面的距离，m； 地基压力扩散线与垂直线的夹角（压力扩散角），可按表1.1取值。建筑地基处理技术规范（JGJ792002）对换填垫层也提出了相应的条文规定，见表1.2。2004版湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）第6.1.8条对灰土的压力扩散角作了新的规定，将本文表1.2注1中的灰土角取值修改为“当Z/b0.25时，可取=0”。对于山西地区多层建筑（612层）的软弱地基采用置换垫层法处理软土地基时的基础型式多为筏基。这时常出现垫层厚度与基础板宽之比z/b0.25的情况。按上述表列要求，压力扩散角需取0。在这种条件下设置执层达不到扩散应力、限制沉降的目的，但模型试验及工程实践证明，在z/b0.25时，加筋执层具有扩散应力，限制沉降的作用。1998年原国家经贸委曾向国务院上报关于组织实施土工合成材料的推广应用问题的请示报告，国务院主要领导于1998年9月6日做了批示：“请有部门贯彻落实，首先在今年开始的大修堤防工程中应用”，据此，国家经贸委建设部联合以经国贸技术1999662号文发出关于建立土工合成材料应用示范工程的通知。要求认真落实批示精神，积极稳妥地做好土工合成材料的推广应用工程。为此，对91版建筑地基处理技术规范补充增加了加筋垫层的设计、施工条文。之后2004年新版地基处理技术规范中较为完整地对土工合成材料加筋垫层作了相关条文规定，但在压力扩散角表中，未提及土工合成材料。即对加筋垫层的压力扩散角是否受z/b0.25时=0的限制，或者如何取值，没有明确说明。规范中也未述及加筋垫层的计算方法及构造措施等，这样就给实际应用带来许多困难。我院从1992年开始进行土工带筋带试验研究。至今已在近百幢的工业与民用建筑地基中成功使用，含22层高层住宅不均匀地基处理及直径16m，高52m钢筋混凝土大型贮煤筒仓地基处理。表1.1地基压力扩散角Esl/Es2z/b0.250.50362351025102030注：1、Esl为上层土压缩模量；Es2为下层土压缩模量； 2、z/b0.50时，值不变。表1.2 换填垫层压力扩散角zb中砂、粗砂、砾砂、石屑、卵石、碎石、矿渣粉质粘土、粉煤灰灰土0.25206280.503023注：1、z/b0.25，除灰土取=28外，其余材料均取=0，必要时可由试验确定； 2、当0.25z/b0.5时，用内插法求得。2、土工合成材料加筋垫层土工合成材料加筋垫层是由分层铺设于垫层中的土工合成材料与垫层土组合构成的。山西地区在加筋垫层中使用的土工合成材料，前期有土工格栅、土工筋带等。近年多采用土工筋带编网，因为在试验应用土工格栅（包括涤纶纤维经编土工格栅，聚丙烯双向土工格栅）时，发现格栅的结点连接相对较弱，导致筋带的抗拉强度得不到发挥，总体受筋带结点强度的控制；在筏基中，基底边、角部位的压力远大于中部；另外，格栅固定的网距在地基中调整较困难。另外，敷设平整，难繁程度较大1，为此，近年来都使用土工筋带编网。用于加筋垫层的土工合成材料多采用聚稀烃复合筋带，规格型号为TG502.5、TG252.5。前者带宽50mm，厚2.5mm，截面积125mm2；后者宽度、截面积减少一半。部分也采用塑钢复合筋带。（1）土工筋带的物理性能从表2.1产品质量检验报告中看出TG型复合加筋带具有良好的耐酸碱与抗老化性能。表2.1 山西省技术监督局产品质量检验报告产品名称TG型复合加筋带规格型号TG252.5TG502.5检验依据GB/T3512-1989GB/T13527-1992质量密度138.99142.85b/延m（77.2m/kg）*偏斜度1%检验环境温度20，湿度50%主要仪器LR-10热老化试验箱送样数量3m到样日期2003.3.14序号检验项目检验结果1热氧老化质量损失率/%0.080.13(70，168h)2化学侵蚀性2.140% NaOH溶液50，24h无变化2.230% H2SO4溶液50，24h无变化2.340% HNO3溶液50，24h无变化2.410% MaCl溶液50，24h无变化3干湿变化50，24h无变化4阿克隆磨损/cm21.61km-10.95尺寸变化率5.1-20尺寸变化率/%-0.62-0.535.2+50 尺寸变化率/%+0.50+0.56*： 型质量密度加倍。（2）土工筋带的强度表2.1及表2.2分别为TG252.5、TG502.5筋带强度检测成果。测试环境：室温1820，湿度50%；试件长度300mm，标距100mm；加荷速率100mm/min；参照规范，公路加筋土规范；土工合成材料测试手册。试件规格：宽度502mm，厚度2.50.1mm，偏斜度0.01。（3）似摩擦系数f*在加筋垫层中，筋带与周围介质共同工作主要是靠界面摩擦阻力，用似摩擦系数f*表示。采用应力控制式拉拔试验仪，测得似摩擦系数f*为0.520.54。其中拉拔箱尺寸为151510cm（长、宽、高），箱内填料用（标准）细砂，平均粒径d50=0.4mm，不均匀系数Kc=1.63，砂土干密度1.450.02g/cm3，拉拔速率13mm/min。表2.2 TG252.5筋带强度检测成果项目测试数据试件号02-102-202-302-402-502-6平均值断裂荷载/kN5.456.036.635.875.855.925.96断裂强度Mpa87.2096.50106.1093.9093.6094.7095.40断裂应变%0.750.931.020.810.810.800.850.5%应变的荷载/kN3.602.903.303.503.503.603.40 表2.2 TG502.5筋带强度测试成果项目测试数据试件号01-101-201-301-401-5平均值断裂荷载/kN17.3517.1017.1517.2517.6517.30断裂强度/Mpa138.8136.8137.2138.0141.2138.4断裂应变/1%1.231.051.071.171.251.151%应变的荷载/kN14.6016.3116.4015.8015.5015.72上述资料表明，TG型土工筋带的物理与力学性能诸方面是能够很好的应用于地基垫层的。此外，对钢塑复合加筋带进行了测试。钢塑带与TG带相比，两者外包塑胶层是相同的，只是将TG带中抗拉聚烯烃束更换为钢丝。加筋带规格为宽30mm、厚2.5mm。内置钢丝。定名为CAT302.5钢塑复合带。它的强度水平高于TG型土工筋带1.35倍，伸长率相对较低，在地基应力大、变形控制要求严的工程条件采用，在安徽张集选煤厂煤仓地基工程中进行了应用。（CAT302.5钢塑复合筋带检测结果见表2.3。）表2.3 CAT302.5筋带检测结果项目测试数据平均值试件号123456断裂荷载/kN12.2411.2811.2810.9213.5613.5612.14断裂强度/Mpa163.2150.4150.4145.6180.8180.8161.9断裂应变/%1.371.231.261.121.671.431.351%应变的荷载/kN10.2010.3210.0810.4510.5710.9210.42注：试验日期2008.08.16，检测单位，西北工大飞机结构强度研究所。3、加筋碎石土样三轴试验试验由黄仙枝博士完成*。试样尺寸为300750mm，试验条件为固结排水剪切试验，碎石的颗粒级配见表3.1，干密度平均值为1.8g/cm3表3.1 碎石土颗料级配粒径mm35252515155质量百分比%33.537.928.6土工筋带采用聚烯烃塑玻土工复合筋带，型号规格为TG252.5mm，极限抗拉强度b=95.4MPa，断裂应变（延伸率）b=0.85%，筋带的张拉应力与应变曲*引自黄仙枝 土工带加筋碎石土大型三轴试验研究，建筑结构学报V20N2 2005.04及土工带加筋碎石垫层地基的试验应用及现场研究博士学位论文线在破坏前基本为线性关系，弹性模量E=10.4Mpa，试样中加筋带的布置，据试样尺寸，在样中能设一层、两层或三层筋带，参见图3.1及表3.2。表3.2 土工加筋带设置参数N0123U cm37.52512.5H cm2525LDR %033.333.333.3注：1、N加筋层数。2、U首层加筋间距，第一层筋带距试样顶面的距离。3、H加筋层间距，两层筋带间的距离。4、LDR加筋线密度，LDR=筋带宽/筋带间的水平间距。 （a） (b)图3.1 加筋带编排和位置筋带按纵横间距相同十字交叉编铺，交叉处用胶粘合，并剪成300mm的园盘，水平铺设于土样中。见图3.1b图3.2加筋土样破坏时的形态三轴试验试样破坏时的形态示图3.2可以看出，对无筋（素）碎石土体破坏时中部成鼓状堆沉，侧向变形中间大，两端部小，其变化是渐变的，对加筋碎石土样，在加筋层附近侧向变形小，而距加筋层渐远时侧向变形渐增，表明加筋带对土体有明显的侧向约束作用，一层加筋时筋带平均伸长4mm，两层加筋时筋带平伸长6mm，三层加筋筋带平均伸长5mm，伸长应变分别1.3%、2.0%、1.7%。用加筋碎石土试样三轴试验成果，绘制法向应力和剪应力（）关系曲线图3.3，得到土体的抗剪强度指标C、，见表3.3，初步揭示，需根据试样尺寸合理布设加筋层数才能取得良好效果，或疏或密设置加筋层均不会获得理想效果。表3.3 加筋碎石土抗剪强度指标NO123C kPa105.3133.1181.9163.4 39.541.040.840.9图3.3 加筋土和素碎石土的强度包线对于粗粒土的抗剪强度，试验表明，它的强度值不仅决定于单个颗粒的强度，更主要的是决定于颗粒间的摩擦力和咬合力，咬合力（即粒间联锁作用力）的大小与土体组成的不均匀性、密度及所承受的垂直压力大小有关，咬合力部分体现在粘聚力C值之内，一部分体现在内摩擦（力）值之中。当作用于粗粒土体的压力，在有限的一般工程荷载作用范围内，粗粒土的抗剪强度f可概化为由粘聚力强度和摩擦角强度两项组成。可近似地用下式（3.1）表达。碎石土 f=c+tan （3.1）式中C称为土颗粒间的咬合强度试验成果（图3.3及表3.3）表明。法向应力与剪应力有良好的线性关系，且加筋碎石土试验与无筋（素）碎石土试验的曲线近于平行，而加筋碎石土的强度线均位于素碎石土强度线之上，即加筋前后碎石土的内摩擦角值近于相等，加筋提高土体强度的作用，主要体现在使得土体的粘聚力增大，提高一个“准粘取力”。即碎石加筋土体的强度服从“准粘聚力”准则。4、加筋垫层的原位试验换填垫层中加入土工筋带后，垫层性状得到极大的改善。与普通垫层相比，加筋垫层的抗拉和抗剪性能有所提高，有效地阻止了垫层的断裂和剪切破坏，保障了垫层的完整性和整体刚度。加筋垫层由此成为一种刚性较好的“梁板式”构件。加筋垫层的工作机理：在荷载作用下，筋带与土颗粒界面间的摩擦作用，一方面限制了颗粒之间的位移，使垫层的整体性能得到改善；另一方面筋带内部产生了较大的内应力，从而抵消了部分建筑荷载，并将建筑荷载均化传递分布到地基土中，可以起到较好的换填作用。因此，加筋垫层中的土工筋带与土体紧密贴合，使筋带具有远高于被加固的软弱地基土的模量。为了进一步了解土工带加筋垫层的工作机理，解决此类垫层的计算应力扩散角问题，在太原地区进行了14组原位载荷试验。试坑尺寸为2.32.3m，载荷板为1.51.5m方形板，垫层材料为砂碎石土。为解决z/b0.25时角取值问题，控制试验垫层厚度z0.25b(0.25150=37.5cm)，这组加筋薄垫层总厚度取30cm(3.0m，或t/b0.2时： （6.4）6.2稳定性验算按照土工合成材料应用技术规范（GB50290-98）6.3.3条，采用薄层软弱夹层稳定分析理论。相对于软弱下卧土层，加筋垫层具有良好的强度与刚度，似刚性压板，它与软弱土层及其下的良好地层构成的空间体系中，软层成为一个薄层软弱夹层，即构成条形荷载作用下两个粗糙平面之间的薄层挤压关系。Prandtl在1923年根据极限平衡的平面课题和=0的假设提出解，对于0条件，我国张道宽6提出了修正的Prandtl条形荷载下的平均极限荷载公式，张国霞7将其应用于矩形箱筏基础下薄夹层的稳定分析。0时，软夹层的平均极限承载力： （6.5） （6.6） （6.7） （6.8） （6.9）式中：Nct，Nqt薄层挤压的承载力系数； r软弱层顶面上覆土层的厚度加权平均重度，kN/m3； H软弱层顶面至设计室外地坪深度，m； C软弱层的粘聚力，kPa； 软弱层内摩擦角，度； b基础板宽度，m； b0假定不受摩擦影响的边缘恒压段的宽度。它与（基础）压板刚度及土的刚-塑性有关，一般取（0.51.0）t; t软弱土层厚度，m。修正Prandtl的计算模型如图（6.4）。图6.4修正的Prandtl解Nc，Nq为无量纲的承载力系数（引自Hansen承载力公式）见表6.2。求得软夹层的平均极限承载力值，相应的承载力faz取/k k为总安全系数，一般取3。然后可按本文（1.1）式检验其稳定安全度。6.3工程实践应用上述设计方法完成了数十项工业与民用建筑的软基处理，均安然无恙。举例如下：表6.2 承载力系数，Nc，Nq值/度NcNq/度NcNq05.141.002216.887.8225.631.202419.309.6046.191.432622.2511.8566.811.722825.8014.7287.532.063030.1118.40108.382.473235.4023.18129.282.973442.1629.441410.373.593650.5937.751611.634.343861.3548.931813.105.264075.3164.202014.836.40山西省交通干校教学楼为地上13层、地下1层的框剪结构，长42.41m，宽17.5m，基础面积约725.0m2，基底埋深4.4m，基底以上建筑总重184531.34kN，设计基底压力为260kPa。地基持力层为厚度5.9m至6.8m的黄土状粉土及粉质粘土，呈软塑状，饱和，灵敏度高，St=5.26.8。承载力标准值fk=120kPa，下卧层粉细砂层，层厚10m，标贯系数N=16，承载力fk=180kPa。原设计用干振碎石桩复合地基处理，桩径400mm，正三角形布桩，桩距1.1m，桩长9.5m。处理后复合地基承载力要求fsp260kPa，实际施工时桩孔送料困难，充盈系数常只能达到0.30.6，经两个月的停歇恢复期后，检测复合地基承载力只能达到130kPa。我院采用2m加筋砂石垫层，对地基进行了补强。其中下1.2m范围内设置两层土工筋带，筋带为TG502.5（抗拉强度120MPa，延伸率1.2%），砂石垫层采用天然级配的砂卵石，最大粒径5cm,0.25条件时仍具有扩散应力作用。砂石垫层角可取3638，设一层筋带时取小值。（4）工程实践证实，加筋垫层工作性状良好，发展前景广阔。参考文献：1俞锡健等.也对土工合成材料应用技术规范谈点看法J岩土工程界2004.V7.N72工程地质手册编选委员会.工程地质手册（第三版）M.北京：中国建筑工业出版社，1992.3王步云，董完毛.山西饱和黄土的工程特性与加筋砂卵石垫层的应用（二）J.山西交通测设，1997.4赵锡宏.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论共同作用的理论与实践M.上海：同济大学出版社,1989.5欧阳仲春.现代土工加筋技术第四章加筋地基M.北京：交通出版社，1991.6张道宽，周镜.土工织物加强软土路基的研究D.博士学位论文，1987.7张国霞.箱形基础，基础工程学第五章M.北京：中国建筑工业出版社，1991.加筋垫层地基工程在部分项目中的应用目录一、 山西加筋垫层工程应用实例1. 山西省交通干部学校教学综合楼2. 山西邮电管理局住宅楼3. 山西阳泉供电局办公大楼 4. 山西阳泉工商局办公大楼5. 山西太原三益公司住宅大楼6. 山西阳泉阳煤集团开发小区7. 山西太原文化苑小区8. 山西太原市政管理局综合办公大楼9. 山西太原迎泽房管所住宅楼10. 山西太原迎泽房管所综合办公大楼11. 山西太原市市政住宅楼12. 山西太原供电局设计院综合办公大楼13. 山西电力总公司住宅楼14. 山西安泰物资公司住宅楼15. 山西科技苑办公楼16. 山西大同县国税局办会大楼17. 山西电力基础公司办公大楼18. 山西来源公司办公大楼19. 晋城矿务局办公大楼20. 山西小店开发区办公该楼21. 山西四建集团总公司住宅楼22. 山西省建一公司九处办公楼23. 山西师范大学图书馆大楼24. 山西省晋城房地产开发公司住宅楼25. 山西省晋城古书院煤矿住宅楼26. 山西师范大学图书馆大楼27. 山西省晋城省建三公司大楼28. 山西太原太行住宅楼29. 山西省体委住宅楼30. 山西太原中铁十二局住宅楼31. 山西华宇集团高层住宅大楼32. 山西五台县水利局住宅33. 山西锦金荣房地产开发公司住宅楼34. 山西省机电设计研究院住宅楼35. 山西临汾地质队大楼36. 国际晋商工贸大厦37. 晋中榆次阿胶厂厂房改建工程38. 山西榆次远东房产开发基础工程39. 山西太原清徐东胜气化公司煤气化工工程40. 山西太原清徐美锦集团煤气化工程41. 山西孝义楼东峻安煤气化集团、电力动力车间及煤气化工工程42.