加筋砂石垫层在软土地基中应用.docx

加筋砂石垫层在软土地基中应用 1.问题提出建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）第5.2.7条1提出：当地基受力层范围内赋予软弱下卧层时，按下式进行强度验算：Pz+Pczfaz（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：(2)对于矩形基础：.(3)式中：b基础地面宽度，m； l矩形基础地面长度，m； Pk基础地面处土的自重压力，kPa； z基地至软弱下卧层顶面的距离，m；Es1/Es2z/b0.250.50351061020232530 地基压力扩散线与垂直线的夹角（压力扩散角），可按表1取值。表2 换填垫层压力扩散角表1 地基压力扩散角建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）对换填垫层也提出了相应的条文规定，见表2。z/b中沙、粗砂、砾砂、圆砾、石屑、卵石、碎石、矿渣度粉质粘土粉煤灰/度灰土/度0.25206280.503023注：1. Es1为上层土压缩模量；Es2为下层土压缩模量。2.当z/b0.25时，取=0，z/b0.50时，值不变。 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做了新的规定，将本文表2注1中的灰土角取值修改为“当z/b0.25时，可取=0”。对于山西地区的多层建筑（六至十二层）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。按现行地基基础设计规范及地基处理技术规范和黄土规范要求，压力扩散角均需取0。在这种条件下设置垫层达不到扩散应力、限制沉降的目的。模型试验及工程实践证明在z/b0.25时，加筋垫层具有扩散应力，限制沉降之作用。 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：“请有关贯彻落实，首先在今年开始的大修提防工程中应用”，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。要求认真贯彻落实批示精神，积极稳妥地做好土工合成材料的推广应用工作。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。之后在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。同时加筋垫层的计算方法及构造措施等，规范中也未述及这方面的内容，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40幢以上的工业与民用建筑地基中得到成功使用，含22层高层住宅不均匀地基处理及直径16m，高52m钢筋砼大型贮煤筒仓地基处理。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，初期有土工格栅、土工筋带等。今年多采用土工筋带编网，因为在试验应用土工格珊（包括涤纶纤维经编土工格珊、聚丙烯双向土工格珊）时，发现格珊的结点连接相对太弱，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，隔山固定的网距在地基中调整较困难。为此，近年来都采用土工筋带编网。用于加筋垫层的土工合成材料采用聚烯烃复合筋带，规格型号为TG502.5、TG252.5。前者带宽50mm，厚度2.5mm，截面积125mm2，后者宽度、截面积减少一半。表3 山西省技术监督局产品质量检验报告（1）土工筋带的物理性能从表3产品质量检验报告看出TG型复合加筋带具有良好的耐酸碱与拉强度和抗老化性能。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138.99-142.85g/延m(77.2m/kg)*偏斜度%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序号检验项目单位检验结果1热氧老化质量损失率%70m168h0.080.132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%NaCL溶液50,24h无变化3干湿变化50,24h无变化4阿克隆磨损cm2/1.61km0.95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4及表5分别为TG252.5与TG502.5筋带强度检测成果。其中：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。表4 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（kN）5.456.036.635.875.855.925.96断裂强度(MPa)87.296.5106.193.993.694.795.4断裂应变(%)0.750.931.020.810.810.800.850.5%应变的载荷(kN)3.62.93.33.53.53.63.4表5 TG型502.5筋带强度检测成果项目测 试 数 据试件号01-101-201-301-401-5平均值断裂荷载（kN）17.3517.1017.1517.2517.6517.30断裂强度(MPa)138.8136.8137.2138.0141.2138.4断裂应变（%）1.231.051.071.171.251.151%应变的载荷kN14.6016.3116.4015.8015.5015.72注:1、试件是从施工工地随机抽取的。2、TG252.5筋带的检测强度见表2.3。（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介面摩擦阻力，常用似摩擦系数f*表示，采用应力控制式拉拔试验仪，测得的似摩擦系数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d500.4mm，不均匀系数Kc=1.63，砂土干密度1.450.02g/cm3，拉拔速率13mm/min。此外，对钢塑加筋带进行了测试。钢塑带与TG带相比，两者外包塑胶层是相同的，只是将TG带中抗拉聚烯烃丝更换为钢绞线。钢绞线为七股1的钢丝构成。加筋带规格为宽30mm，厚度2mm。内置10束绞线。定名为CPE302钢塑复合带，但由于价格较高，一般只在地基应力大，变形控制要求严的工程条件下采用，在安徽张集选煤厂煤仓地基工程进行了应用（CPE302钢塑复合筋带检测结果见表6）。表6 CPE302土工加筋带检测成果编号试体尺寸mm面积mm2极限荷载Pu(kN)极限强度u(MPa)伸长率(%)屈服荷载Py(kN)屈服强度y(MPa)03-126.942.0053.8810.201891.17.9146.603-226.682.0053.369.501781.18.2153.603-327.002.0054.0010.701.981.28.1150.003-427.022.0254.589.301701.18.2150.203-526.522.0053.0410.401961.37.5141.401-627.002.0455.089.821781.28.0145.2平均值53.849.981851.27.98147.8注：屈服值低于极限值20%。3.加筋垫层的作用及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。与松散垫层相比，加筋垫层的抗拉和抗剪性能得到提高，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：在建筑荷载作用下，筋带与土颗粒界面的摩擦作用，一方面限制了颗粒之间的运移，从而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，可以较好地起到换填作用。因此，加筋垫层中的土工筋带与土体紧密贴合，且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时角可取何值，控制试验垫层厚度z0.25b(0.25150=37.5cm)，这组加筋薄垫层总厚取30cm（0.25b）。上述资料表明，TG型土工筋带的物理强度与力学性能诸方面是能够很好的应用与地基垫层的。测试方案：试验分别在天然土、无筋砂石垫层和加筋砂石垫层条件下进行。土工筋带距基础板底面的距离（称为首层间距）U分别用5cm、10cm、20cm三种，筋带铺设密度D分别为3B3B，2B2B（B为筋带宽度）。（1）测试布置测试时以载荷板的中心线为对称轴，分别设置了沉降观测点、垫层底压力盒和筋带应变片。分别量测沉降、垫层底压力分布、筋带受力情况，量测沉降变形百分表布置见图3.1。在载荷板的四个角布设甲乙丙丁四个百分表。利用导杆百分表1、2、3监测垫层底部的地基土层的沉降。22个压力盒测点布置于垫层底部（见图3.2），压力盒量程为600kPa。对应于压力盒测点，在筋带相应位置上双面粘贴应变片（见图3.3），筋带端部弯回折叠并采用胞腔砂石袋充填弯折部并用卡夹固定（见图3.4）。（2）加筋对垫层扩散应力的影响图3.5，3.6，分别绘出无筋与加筋砂石垫层底部的代表性应力分布曲线、无筋砂石土底部最大压力产生于垫层中部，向两边逐渐减小，呈抛物线型分布；而加筋垫层底部，压力最大值产生在荷载板边缘部位，向中部和两侧逐渐减少。而且随着垂直荷载的增加，荷载板边缘附近的压力增量大于中心处，说明筋带的存在使土体中的应力由中间向两边扩散，竖向荷载愈大、压力扩散的效果就愈明显。这是由于筋带的存在，它与砂石间的界面摩阻力，给砂石侧向移动提供的约束力作用，使得载荷板边缘下的砂石颗粒难以侧向挤出，边缘抗力增大。图3.7为双层筋带条件下的土层顶面压力分布图，其承受竖向荷载能力高于一层筋带条件，应力扩散效应也更加显著。（3）筋带在垫层中的受力性状应力测试用的筋带规格及有关参数见表7。其断裂抗拉强度为95.4MPa，延伸率=0.85%。图3.8为一层筋带，中等加筋密度（LDR=33%*）*：加筋密度常用线密度比（LDR）表示，定义为垫层单位宽度上的加筋密度相同条件下，表7 加筋垫层效果对比参数地基条件参数地基条件极限承载力承载力提高系数相应沉降相对沉降沉降减少系数Pu(kPa)BCRS(mm)S/bSRF天然原土A11341.0690.0461无筋（素）垫层A01601.19460.0310.67加筋垫层U=5cmA1(2B2B)1961.46400.0260.58U=10cmA4(3B3B)2141.60300.020.43U=20cmA5(2B2B)2001.49340.0220.49不同首层加筋间距与筋带应力的关系，首层加筋间距小的（筋带距基底近，即U/z=5/30=0.17），加荷早期筋带就受到明显作用力，加荷后期筋带应力增加不多，筋带应力从加荷初期至后期上升不太明显；首层加筋间距大的（U/z=0.67），加筋后期筋带作用明显，筋带应力迅速增大；首层筋带设置居中者(U/z=0.33)，筋带应力在整个加荷过程中均匀增长。图3.9为一层加筋，首层间距（U/z=0.17）相同条件下加筋密度对筋带应力的影响。加筋密度疏时，随着荷载增加，筋带应力稳步上升。加筋密度过密时（LDR=50%），加荷初期，筋带作用发挥不理想；加荷后期，筋带应力受力不均，波浪式上升，且不稳定。而适中的筋带布设，加筋前期筋带即显示其作用，并随着荷载的增加筋带应力均匀地增加。筋带中拉应力值，对地基承载力在180250kPa条件下，一般只达到2025MPa，高点可达到28MPa，相应的安全系数F=3.44.7，满足土工合成材料应用技术规范（GB50290-98）的要求。另外，有一组试验在全部施荷过程中，实测筋带应力很小，筋带几乎没能发挥作用。直至荷载加到175kPa时，筋带中应力急剧增大，地基很快达到极限破坏条件，分析认为垫层密实度偏低，筋带与砂石土共同工作不好是重要因素。因此，垫层密实度必须达到中密以上，压实系数c0.94，确保加筋垫层工作的整体性。4.试验成果分析4.1加筋对地基承载力的作用注:D为筋带间距；B为筋带宽度图4.1 载荷试验曲线将天然土、无筋（素）砂石垫层及不同加筋条件下的几组载荷试验PS成果，绘制于图4.1。并且将有关承载力及变形数据列入表7，对比之。从上述数据可看出，对于薄加筋垫层，加筋垫层地基比天然原土地基极限承截力可提高40%60%，沉降减小3040mm。表明：当土体受到筋带的结束作用时，受约束土体的应力应变特性改变。筋带将使受约束土体的刚度提高，具有类似刚性垫层的作用，能够使上部荷载产生扩散，从而减小地基土沉降，提高其承载力。试验还表明，合理的筋带布设对承载力提高影响极大。A4一组效果最好即为例证。4.2压力扩散角图4.2 应力扩散示意图据下列简化模型（图4.2）来确定角。垫层底部的软弱土层顶面处的总土压力等于载荷板上所承受的荷载和砂石垫层自重之和；假定方形荷载板的压力经扩散后仍为方形，软层顶面处的压力按压力盒测定值用积分方法求其平均压力。对于一层筋带的垫层（A1A5），其压力扩散值变动在3438范围变动。对于二层筋带的垫层（A6A8），其压力扩散角值为4044。无筋垫层的压力扩散角为19。5.加筋垫层的实用设计方法5.1附加应力PZ计算加筋垫层的强度验算应满足（1）式。关于附加应力Pz，应用（2）或（3）式计算时，重要的是压力扩散角值的选定。根据试验测试及工程检测，对于砂石垫层值可取3638；对于灰土，可取3436。此时，计算不受z/b0.25条件的限制。对于基础底面宽度大于6m的基础，加筋垫层底部附加应力PZ计算分析如下：关于基础宽度的增加对粘性土地基的承载力影响，建筑科学院地基所为编制我国地基规范的研究成果指出，对内摩察角在25以内的粘性土，基础宽度自0.5到3m之间，这种尺寸宽度的影响对工程来说没有实际意义，因之地基规范规定，对于基础宽度在3m以内时，确定承载力值外，不作宽度影响修正。关于基础宽度对地基沉降量的关系，收集到太原地区在比较均匀的高湿度黄土地基上的载荷试验及原型基础沉降监测资料2、3。参见表8及图5.1。据上述统计资料，可以认为当基础板宽超过8m时，一般地基的相对沉降近似趋于定值(S=0.005b)，太原地区将基宽8m作为大板与一般基础的分界限是可行的。赵锡宏教授，根据上海地区近30栋高层建筑桩箱和桩筏基础的实测沉降资料，提出了予估竣工时沉降SC的经验关系式 4 ：Z5060m（超长桩）SC=0.0012Be.(4)Z3050m（中长桩）SC=0.0035Be-3cm.(5)Z=2030m（长桩）SC=0.0044Be.（6）式中：Z桩的入土深度，m；Be基础的等效宽度，cm，Be=。表8 承压板（基础）宽度与沉降量的关系板（基础）b= (cm)沉降量S（cm）相对沉降量S/b说明24.52.300.094试验压力P=160kPa70.71.550.022100.01.800.018200.02.300.011440(基础)3.200.008基础计算压力为160kPa，S值已考虑施工期间的沉降800(基础)3.800.0051000*（基础）5.000.005基础计算压力为150kPa，基底下(0.60.7)b范围内土质与小板下土质相同。2100*(基础)10.300.0049.005注：均为太原地区资料，*为基础短边尺寸上述经验公式属于不同的地区土质与基础类型条件，得出一个相近的概念，即对于宽度大的筏箱型大板基础，地基沉降与基础板宽的比值有趋于某个定值的概念性关系。图5.1 承压板（基础）宽度与沉降的关系基于上述分析，结合地基规范规定，对基础宽度超过6.08.0m的基础，附加应力PZ除应用式1.2或1.3进行计算，尚可采用下列经验公式（7)计算，这个公式是以拱膜理论为指导，实验数据为基础，建立的半经验公式PZ=2b k (1-e0.5z/b) +Pe-0.5z/b.（7）式中：垫层的重度，kN/m3；b基础板的宽度，m；z加筋垫层的厚度，m；k反应合理布设筋带的加筋作用系数，一般控制在1.52范围内；p基底压力设计值，kPa。k值可根据土工筋带综合影响系数mc，按（9）及（10）式或由图5.2得出。其中：.（8）式中：Ii,di分别为基础横向土工织物筋带的长度与宽度，m；图5.2 mck关系曲线Ij,dj分别为基础纵向土工织物筋带的长度与宽度，m；F基础面积，m2；mc值一般宜控制在38（多取46）。当软弱下卧层厚度t3.0m，且t/b0.2时（见图5.3）k=e1-.(9)当软弱下卧层厚度t3.0m,或t/b0.2时k=e0.5-.(10)5.2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课题。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5博士提出了修正的Prandtl条形荷载下的平均极限荷载公式，张国霞6大师将其应用于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：=NctC+NqtH.(11)式中：Nct，Nqt薄层挤压的承载力系数；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）。Nct=t(Nc+)-.(12)Nqt=tNq.(13)t=2b0b-tb(1-eb-2b0t).(14)=tg.(15)式(5.2-3)中，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5.3。Nc，Nq为无量纲的承载力系数（引自Hansen承载力公式）见表9。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（1）式检算其稳定安全度。 表9 承载力值Nc、Nq值/度NcNq/度NcNq05.141.002216.887.8225.631.202419.309.6046.191.432622.2511.8566.811.722825.8014.7287.532.063030.1118.40108.382.473235.4923.18129.282.973442.1629.441410.373.593650.5937.751611.634.343861.3548.931813.105.264075.3164.202014.836.405.3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：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，标贯击数N=16，承载力fk=180kPa。原设计用于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，监测复合地基承载力只能达到130kPa。本院采用2m加筋砂石垫层，对地基进行了补强。其中垫层下部1.2m厚度内设置两层土工筋带，筋带为TG502.5（抗拉强度120MPa，延伸率1.2%），砂石垫层采用天然配级的砂卵石，最大粒径5cm，0.25条件时仍具有扩散应力的作用。对砂石垫层，目前可取3638。（4）工程实践证实，加筋垫层工作性状良好，发展前景广阔.