1、加筋砂石墊層在軟土地基中應用 1.問題提出建筑地基基礎設計規范（GB50007-2002）第條1提出：當地基受力層范圍內賦予軟弱下臥層時，按下式進行強度驗算：Pz+Pczfaz（1）式中：Pz軟弱下臥層頂面處的附加壓力值（荷載標準組合條件），kPa；Pcz軟弱下臥層頂面處的自重壓力值，kPa；faz軟弱下臥層頂面處經深度修正后地基承載力特征值，kPa。確定Pz的方法對于條形基礎：(2)對于矩形基礎：.(3)式中：b基礎地面寬度，m； l矩形基礎地面長度，m； Pk基礎地面處土的自重壓力，kPa； z基地至軟弱下臥層頂面的距離，m；Es1/Es2z/b0.250.5035106°10&

2、#176;20°23°25°30° 地基壓力擴散線與垂直線的夾角（壓力擴散角），可按表1取值。表2 換填墊層壓力擴散角表1 地基壓力擴散角建筑地基處理技術規范（JGJ79-2002）對換填墊層也提出了相應的條文規定，見表2。z/b中沙、粗砂、礫砂、圓礫、石屑、卵石、碎石、礦渣度粉質粘土粉煤灰/度灰土/度0.2520°6°28°0.5030°23°注：1. Es1為上層土壓縮模量；Es2為下層土壓縮模量。2.當z/b0.25時，取=0°，z/b0.50時，值不變。 2004版濕陷性黃土地區建筑規范

3、（GB50025-2004）第條對灰土的壓力擴散角做了新的規定，將本文表2注1中的灰土角取值修改為“當z/b0.25時，可取=0°”。對于山西地區的多層建筑（六至十二層）的軟弱地基采用置換墊層法處理軟土地基時的基礎型式多為筏基。這時常出現墊層厚度與基礎板寬之比z/b0.25的情況。按現行地基基礎設計規范及地基處理技術規范和黃土規范要求，壓力擴散角均需取0°。在這種條件下設置墊層達不到擴散應力、限制沉降的目的。模型試驗及工程實踐證明在z/b0.25時，加筋墊層具有擴散應力，限制沉降之作用。 1998年原國家經貿委曾向國務院上報關于組織實施土工合成材料的推廣應用問題的請示報告，

4、國務院主要領導于1998年9月6日做了 批示：“請有關貫徹落實，首先在今年開始的大修提防工程中應用”，據此，國家經貿委、建設部聯合以經國貿技術1999662號文發出關于建立土工合成材料應用示范工程的通知。要求認真貫徹落實批示精神，積極穩妥地做好土工合成材料的推廣應用工作。為此，對91 版建筑地基處理技術規范補充增加了加筋墊層的設計、施工條文。之后在2004年新版地基處理技術規范中較為完整地對土工合成材料加筋墊層作了相關條文規定。但在壓力擴散角表中，未提及土工合成材料，即對加筋墊層的壓力擴散角，是否受z/b0.25時=0°的限制，或者如何取值？沒有明確說明。同時加筋墊層的計算

5、方法及構造措施等，規范中也未述及這方面的內容，這樣就給實際應用帶來許多困難。我院從1992年開始進行土工帶筋帶試驗研究。至今已在40幢以上的工業與民用建筑地基中得到成功使用，含22層高層住宅不均勻地基處理及直徑16m，高52m鋼筋砼大型貯煤筒倉地基處理。2.土工合成材料加筋墊層土工合成材料加筋墊層是由分層鋪設于墊層中的土工合成材料與墊層土組合構成的。山西地區在加筋墊層中使用的土工合成材料，初期有土工格柵、土工筋帶等。今年多采用土工筋帶編網，因為在試驗應用土工格珊（包括滌綸纖維經編土工格珊、聚丙烯雙向土工格珊）時，發現格珊的結點連接相對太弱，導致筋帶的抗拉強度得不到發揮，總體受筋帶結點強度的控制

6、；在筏基中，基底邊、角部位的壓力遠大于中部；另外，隔山固定的網距在地基中調整較困難。為此，近年來都采用土工筋帶編網。用于加筋墊層的土工合成材料采用聚烯烴復合筋帶，規格型號為TG50×2.5、TG25×2.5。前者帶寬50mm，厚度2.5mm，截面積125mm2，后者寬度、截面積減少一半。表3 山西省技術監督局產品質量檢驗報告（1）土工筋帶的物理性能從表3產品質量檢驗報告看出TG型復合加筋帶具有良好的耐酸堿與拉強度和抗老化性能。產品名稱TG型復合加筋帶規格型號TG25×2.5TG50×2.5檢驗依據GB/T3512-1989GB/T13527-1992質量

7、密度138.99-142.85g/延m(77.2m/kg)*偏斜度%檢驗環境溫度20，濕度50%主要儀器LR-10熱老化試驗箱送樣數量3m到樣日期序號檢驗項目單位檢驗結果1熱氧老化質量損失率%70m168h0.080.132化學侵蝕性2.140%NaOH 溶液50,24h無變化2.230%H2SO4溶液50,24h無變化2.340%HNO3溶液50,24h無變化2.410%NaCL溶液50,24h無變化3干濕變化50,24h無變化4阿克隆磨損cm2/1.61km0.95尺寸變化率5.1-20尺寸變化率%-0.62-0.535.2-50尺寸變化率%+0.50+0.56*型質量密度加倍。（2）土工

8、筋帶的強度表4及表5分別為TG25×2.5與TG50×2.5筋帶強度檢測成果。其中：測試環境室溫1820，濕度50%；試件長度300mm，標距100mm；加荷速率100mm/min；參照公路加筋土規范；土工合成材料測試手冊。試件規格寬度50±2mm，厚度2.5±0.1mm，偏斜度0.01。表4 TG25×2.5筋帶強度檢測成果項目測 試 數 據試件號02-102-202-302-402-502-6平均值斷裂荷載（kN）5.456.036.635.875.855.925.96斷裂強度(MPa)87.296.5106.193.993.694.795

9、.4斷裂應變(%)0.750.931.020.810.810.800.850.5%應變的載荷(kN)3.62.93.33.53.53.63.4表5 TG型50×2.5筋帶強度檢測成果項目測 試 數 據試件號01-101-201-301-401-5平均值斷裂荷載（kN）17.3517.1017.1517.2517.6517.30斷裂強度(MPa)138.8136.8137.2138.0141.2138.4斷裂應變（%）1.231.051.071.171.251.151%應變的載荷kN14.6016.3116.4015.8015.5015.72注:1、試件是從施工工地隨機抽取的。2、TG

10、25×2.5筋帶的檢測強度見表2.3。（3）似摩擦系數f*在加筋墊層中，筋帶與周圍介質共同工作主要是靠介面摩擦阻力，常用似摩擦系數f*表示，采用應力控制式拉拔試驗儀，測得的似摩擦系數f*為0.520.54。其中拉拔箱尺寸為15×15×10cm(長×寬×高)，箱內填料用（標準）細砂，平均粒徑d500.4mm，不均勻系數Kc=1.63，砂土干密度1.45±0.02g/cm3，拉拔速率13mm/min。此外，對鋼塑加筋帶進行了測試。鋼塑帶與TG帶相比，兩者外包塑膠層是相同的，只是將TG帶中抗拉聚烯烴絲更換為鋼絞線。鋼絞線為七股1的鋼絲構成。

11、加筋帶規格為寬30mm，厚度2mm。內置10束絞線。定名為CPE30×2鋼塑復合帶，但由于價格較高，一般只在地基應力大，變形控制要求嚴的工程條件下采用，在安徽張集選煤廠煤倉地基工程進行了應用（CPE30×2鋼塑復合筋帶檢測結果見表6）。表6 CPE30×2土工加筋帶檢測成果編號試體尺寸mm面積mm2極限荷載Pu(kN)極限強度u(MPa)伸長率(%)屈服荷載Py(kN)屈服強度y(MPa)03-126.94×2.0053.8810.201891.17.9146.603-226.68×2.0053.369.501781.18.2153.603-3

12、27.00×2.0054.0010.701.981.28.1150.003-427.02×2.0254.589.301701.18.2150.203-526.52×2.0053.0410.401961.37.5141.401-627.00×2.0455.089.821781.28.0145.2平均值53.849.981851.27.98147.8注：屈服值低于極限值20%。3.加筋墊層的作用及試驗換填墊層中加入土工筋帶后，墊層性狀得到極大的改善。與松散墊層相比，加筋墊層的抗拉和抗剪性能得到提高，有效地阻止了墊層的斷裂和剪切破壞，保障了墊層的完整性和整體剛

13、度。加筋墊層由此成為一種剛性較好的“梁板式”構件。加筋墊層的工作機理：在建筑荷載作用下，筋帶與土顆粒界面的摩擦作用，一方面限制了顆粒之間的運移，從而使墊層的整體性能得到改善；另一方面筋帶內部產生了較大的內應力，從而抵消了部分建筑荷載，并將建筑荷載均化傳遞分布到地基土中，可以較好地起到換填作用。因此，加筋墊層中的土工筋帶與土體緊密貼合，且筋帶具有遠高于被加固的軟弱地基土的模量。為了進一步了解土工帶加筋墊層的工作機理，解決此類墊層的計算應力擴散角問題。在太原地區進行了14組原位載荷試驗，試坑尺寸為2.3×2.3m，載荷板為1.5×1.5m方形板，墊層材料為砂碎石土，為解決z/b

14、0.25時角可取何值，控制試驗墊層厚度z0.25b(0.25×150=37.5cm)，這組加筋薄墊層總厚取30cm（0.25b）。上述資料表明，TG型土工筋帶的物理強度與力學性能諸方面是能夠很好的應用與地基墊層的。測試方案：試驗分別在天然土、無筋砂石墊層和加筋砂石墊層條件下進行。土工筋帶距基礎板底面的距離（稱為首層間距）U分別用5cm、10cm、20cm三種，筋帶鋪設密度D分別為3B×3B，2B×2B（B為筋帶寬度）。（1）測試布置測試時以載荷板的中心線為對稱軸，分別設置了沉降觀測點、墊層底壓力盒和筋帶應變片。分別量測沉降、墊層底壓力分布、筋帶受力情況，量測沉降變

15、形百分表布置見圖3.1。在載荷板的四個角布設甲乙丙丁四個百分表。利用導桿百分表1、2、3監測墊層底部的地基土層的沉降。22個壓力盒測點布置于墊層底部（見圖3.2），壓力盒量程為600kPa。對應于壓力盒測點，在筋帶相應位置上雙面粘貼應變片（見圖3.3），筋帶端部彎回折疊并采用胞腔砂石袋充填彎折部并用卡夾固定（見圖3.4）。（2）加筋對墊層擴散應力的影響圖3.5，3.6，分別繪出無筋與加筋砂石墊層底部的代表性應力分布曲線、無筋砂石土底部最大壓力產生于墊層中部，向兩邊逐漸減小，呈拋物線型分布；而加筋墊層底部，壓力最大值產生在荷載板邊緣部位，向中部和兩側逐漸減少。而且隨著垂直荷載的增加，荷載板邊緣附

16、近的壓力增量大于中心處，說明筋帶的存在使土體中的應力由中間向兩邊擴散，豎向荷載愈大、壓力擴散的效果就愈明顯。這是由于筋帶的存在，它與砂石間的界面摩阻力，給砂石側向移動提供的約束力作用，使得載荷板邊緣下的砂石顆粒難以側向擠出，邊緣抗力增大。圖3.7為雙層筋帶條件下的土層頂面壓力分布圖，其承受豎向荷載能力高于一層筋帶條件，應力擴散效應也更加顯著。（3）筋帶在墊層中的受力性狀應力測試用的筋帶規格及有關參數見表7。其斷裂抗拉強度為95.4MPa，延伸率=0.85%。圖3.8為一層筋帶，中等加筋密度（LDR=33%*）*：加筋密度常用線密度比（LDR）表示，定義為墊層單位寬度上的加筋密度相同條件下，表7

17、 加筋墊層效果對比參數地基條件參數地基條件極限承載力承載力提高系數相應沉降相對沉降沉降減少系數Pu(kPa)BCRS(mm)S/bSRF天然原土A11341.0690.0461無筋（素）墊層A01601.19460.0310.67加筋墊層U=5cmA1(2B×2B)1961.46400.0260.58U=10cmA4(3B×3B)2141.60300.020.43U=20cmA5(2B×2B)2001.49340.0220.49不同首層加筋間距與筋帶應力的關系，首層加筋間距小的（筋帶距基底近，即U/z=5/30=0.17），加荷早期筋帶就受到明顯作用力，加荷后期筋

18、帶應力增加不多，筋帶應力從加荷初期至后期上升不太明顯；首層加筋間距大的（U/z=0.67），加筋后期筋帶作用明顯，筋帶應力迅速增大；首層筋帶設置居中者(U/z=0.33)，筋帶應力在整個加荷過程中均勻增長。圖3.9為一層加筋，首層間距（U/z=0.17）相同條件下加筋密度對筋帶應力的影響。加筋密度疏時，隨著荷載增加，筋帶應力穩步上升。加筋密度過密時（LDR=50%），加荷初期，筋帶作用發揮不理想；加荷后期，筋帶應力受力不均，波浪式上升，且不穩定。而適中的筋帶布設，加筋前期筋帶即顯示其作用，并隨著荷載的增加筋帶應力均勻地增加。筋帶中拉應力值，對地基承載力在180250kPa條件下，一般只達到20

19、25MPa，高點可達到28MPa，相應的安全系數F=3.44.7，滿足土工合成材料應用技術規范（GB50290-98）的要求。另外，有一組試驗在全部施荷過程中，實測筋帶應力很小，筋帶幾乎沒能發揮作用。直至荷載加到175kPa時，筋帶中應力急劇增大，地基很快達到極限破壞條件，分析認為墊層密實度偏低，筋帶與砂石土共同工作不好是重要因素。因此，墊層密實度必須達到中密以上，壓實系數c0.94，確保加筋墊層工作的整體性。4.試驗成果分析4.1加筋對地基承載力的作用注:D為筋帶間距；B為筋帶寬度圖4.1 載荷試驗曲線將天然土、無筋（素）砂石墊層及不同加筋條件下的幾組載荷試驗PS成果，繪制于圖4.1。并且將

20、有關承載力及變形數據列入表7，對比之。從上述數據可看出，對于薄加筋墊層，加筋墊層地基比天然原土地基極限承截力可提高40%60%，沉降減小3040mm。表明：當土體受到筋帶的結束作用時，受約束土體的應力應變特性改變。筋帶將使受約束土體的剛度提高，具有類似剛性墊層的作用，能夠使上部荷載產生擴散，從而減小地基土沉降，提高其承載力。試驗還表明，合理的筋帶布設對承載力提高影響極大。A4一組效果最好即為例證。4.2壓力擴散角圖4.2 應力擴散示意圖據下列簡化模型（圖4.2）來確定角。墊層底部的軟弱土層頂面處的總土壓力等于載荷板上所承受的荷載和砂石墊層自重之和；假定方形荷載板的壓力經擴散后仍為方形，軟層頂面

21、處的壓力按壓力盒測定值用積分方法求其平均壓力。對于一層筋帶的墊層（A1A5），其壓力擴散值變動在34°38°范圍變動。對于二層筋帶的墊層（A6A8），其壓力擴散角值為40°44°。無筋墊層的壓力擴散角為19°。5.加筋墊層的實用設計方法5.1附加應力PZ計算加筋墊層的強度驗算應滿足（1）式。關于附加應力Pz，應用（2）或（3）式計算時，重要的是壓力擴散角值的選定。根據試驗測試及工程檢測，對于砂石墊層值可取36°38°；對于灰土，可取34°36°。此時，計算不受z/b0.25條件的限制。對于基礎底面寬度大于

22、6m的基礎，加筋墊層底部附加應力PZ計算分析如下：關于基礎寬度的增加對粘性土地基的承載力影響，建筑科學院地基所為編制我國地基規范的研究成果指出，對內摩察角在25°以內的粘性土，基礎寬度自0.5到3m之間，這種尺寸寬度的影響對工程來說沒有實際意義，因之地基規范規定，對于基礎寬度在3m以內時，確定承載力值外，不作寬度影響修正。關于基礎寬度對地基沉降量的關系，收集到太原地區在比較均勻的高濕度黃土地基上的載荷試驗及原型基礎沉降監測資料2、3。參見表8及圖5.1。據上述統計資料，可以認為當基礎板寬超過8m時，一般地基的相對沉降近似趨于定值(S=0.005b)，太原地區將基寬8m作為大板與一般基

23、礎的分界限是可行的。趙錫宏教授，根據上海地區近30棟高層建筑樁箱和樁筏基礎的實測沉降資料，提出了予估竣工時沉降SC的經驗關系式 4 ：Z5060m（超長樁）SC=0.0012Be.(4)Z3050m（中長樁）SC=0.0035Be-3cm.(5)Z=2030m（長樁）SC=0.0044Be.（6）式中：Z樁的入土深度，m；Be基礎的等效寬度，cm，Be=。表8 承壓板（基礎）寬度與沉降量的關系板（基礎）b= (cm)沉降量S（cm）相對沉降量S/b說明24.52.300.094試驗壓力P=160kPa70.71.550.022100.01.800.018200.02.300.011440(基礎

24、)3.200.008基礎計算壓力為160kPa，S值已考慮施工期間的沉降800(基礎)3.800.0051000*（基礎）5.000.005基礎計算壓力為150kPa，基底下(0.60.7)b范圍內土質與小板下土質相同。2100*(基礎)10.300.0049.005注：均為太原地區資料，*為基礎短邊尺寸上述經驗公式屬于不同的地區土質與基礎類型條件，得出一個相近的概念，即對于寬度大的筏箱型大板基礎，地基沉降與基礎板寬的比值有趨于某個定值的概念性關系。圖5.1 承壓板（基礎）寬度與沉降的關系基于上述分析，結合地基規范規定，對基礎寬度超過6.08.0m的基礎，附加應力PZ除應用式1.2或1.3進行

25、計算，尚可采用下列經驗公式（7)計算，這個公式是以拱膜理論為指導，實驗數據為基礎，建立的半經驗公式PZ=2b k (1-e0.5z/b) +P·e-0.5z/b.（7）式中：墊層的重度，kN/m3；b基礎板的寬度，m；z加筋墊層的厚度，m；k反應合理布設筋帶的加筋作用系數，一般控制在1.52范圍內；p基底壓力設計值，kPa。k值可根據土工筋帶綜合影響系數mc，按（9）及（10）式或由圖5.2得出。其中：.（8）式中：Ii,di分別為基礎橫向土工織物筋帶的長度與寬度，m；圖5.2 mck關系曲線Ij,dj分別為基礎縱向土工織物筋帶的長度與寬度，m；F基礎面積，m2；mc值一般宜控制在3

26、8（多取46）。當軟弱下臥層厚度t3.0m，且t/b0.2時（見圖5.3）k=e1-.(9)當軟弱下臥層厚度t>3.0m,或t/b>0.2時k=e0.5-.(10)5.2穩定性驗算按照土工合成材料應用技術規范（GB50290-98）條，采用薄層軟弱夾層穩定分析理論。相對于軟弱下臥土層，加筋墊層具有良好的強度與剛度，似剛性壓板，它與軟弱土層及其下的良好地層構成的空間體系中，軟層成為一個薄層軟弱夾層，即構成條形荷載作用下兩個粗糙平面之間的薄層擠壓課題。Prandtl在1923年根據極限平衡的平面課題和=0的假設提出解，對于0條件，我國張道寬5博士提出了修正的Prandtl條形荷載下的平

27、均極限荷載公式，張國霞6大師將其應用于箱筏基礎下薄夾層的穩定分析。0時軟夾層的平均極限承載力：=Nct·C+Nqt·H.(11)式中：Nct，Nqt薄層擠壓的承載力系數；軟弱層頂面上覆土層的厚度加權平均重度，kN/m3；H軟弱層頂面至設計室外地坪深度，m；c軟弱層的粘聚力，kPa；軟弱層內摩擦角，（度）。Nct=t(Nc+)-.(12)Nqt=t·Nq.(13)t=2b0b-tb(1-eb-2b0t).(14)=tg.(15)式(5.2-3)中，b基礎板寬度，m；b0假定不受摩擦影響的邊緣恒壓段的寬度。它與（基礎）壓板剛度及土的剛塑性關。一般取（0.51.0）t；

28、t軟弱土層厚度，m。修正Prandtl的計算模型如圖5.3。Nc，Nq為無量綱的承載力系數（引自Hansen承載力公式）見表9。求得軟夾層的平均極限承載力值，相應的承載力faz取/k。k為總安全系數，一般取3。然后可按（1）式檢算其穩定安全度。 表9 承載力值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.

29、373.593650.5937.751611.634.343861.3548.931813.105.264075.3164.202014.836.405.3工程實踐應用上述設計方法完成了數十項工業與民用建筑的軟基處理，均安然無恙。舉例如下：山西省交通干校教學樓為地上13層地下1層的框剪結構，長42.41m，寬17.5m，基礎面積約725.0m2，基底埋深4.4m，基底以上建筑總重184531.34kN，設計基底壓力為260kPa。地基持力層為厚度5.9m至6.8m的黃土狀粉土及粉質粘土，呈軟塑狀，飽和，靈敏度高St=5.26.8。承載力標準值fk=120kPa，下臥層粉細砂層，層厚10m，標貫擊數N=16，承載力fk=180kPa。原設計用于振碎石樁復合地基處理，樁徑400mm, 正三角形布樁，樁距1.1m，樁長9.5m。處理后復合地基承力要求fsp260kPa，實際施工時樁孔送料困難，充盈系數常只能達到