土工帶加筋砂石墊層研究與有限元分析

牛長(zhǎng)年

摘 要：根據(jù)土工加筋帶性能的特點(diǎn)，以某學(xué)院砂石地基為例，進(jìn)行地基承載力試驗(yàn)，檢測(cè)整個(gè)砂石加筋墊層地基的可靠性和穩(wěn)定性。運(yùn)用PATRAN有限元軟件，對(duì)在不同鋪設(shè)層數(shù)和不同鋪設(shè)密度下的加筋帶軟土地基進(jìn)行計(jì)算、分析，確定適合的鋪設(shè)方式，從而為土工加筋帶處理軟土地基提供參考。

關(guān)鍵詞：軟土地基；加筋帶；承載力；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU740 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）04-0071-02

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，軟土地基建設(shè)高層住宅也逐漸增多。由于軟土具有低強(qiáng)度、高壓縮性和低滲透性等特點(diǎn)，所以，需要對(duì)軟基進(jìn)行處理才能使其滿足一定的承載能力。實(shí)踐證明，在軟土層不厚的情況下，土工合成材料加筋砂石墊層處理軟地基是一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的處理方法。

以某學(xué)院專升本新校區(qū)學(xué)生公寓為例，通過地基承載力試驗(yàn)，檢測(cè)整個(gè)砂石加筋墊層地基的可靠性和穩(wěn)定性。此外，結(jié)合本加筋地基的實(shí)際情況，運(yùn)用PATRAN/NASTRAN有限元軟件對(duì)整個(gè)加筋地基建立有限元模型，按照工程實(shí)際的受力情況，對(duì)整個(gè)加筋地基有限元模型分析、計(jì)算，得出無加筋墊層、一層加筋墊層和二層加筋墊層地基應(yīng)力和應(yīng)變狀況。

1 軟土

在我國，軟土分布十分廣泛，濱海平原、河口三角洲、湖盆地周圍和山澗谷地等都有分布。由于軟土具有強(qiáng)度低、壓縮性高和透水性差等特點(diǎn)，被大量應(yīng)用于工程建設(shè)中，比如機(jī)場(chǎng)、碼頭、公路和鐵路等。軟土的天然含水量W大于液限WL，天然孔隙比e>1；軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土，當(dāng)天然孔隙比e>1.5時(shí)為淤泥，當(dāng)天然空隙比1

2 塑料土工格柵加筋土

土工合成材料是以人工合成的聚合物為原料，制成各種類型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各層之間，發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)土體的作用。它具有質(zhì)地柔軟、重量輕、連續(xù)性好、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性、抗微生物侵蝕性、防滲性強(qiáng)和施工簡(jiǎn)便等特性，目前已被廣泛應(yīng)用于水利、電力、公路、鐵路、建筑、海港、采礦和軍工等領(lǐng)域。

加筋土結(jié)構(gòu)中筋帶與土之間的相互作用原理即摩擦加筋原理和準(zhǔn)黏聚力原理。

3 工程實(shí)例

以某學(xué)院專升本新校區(qū)1#，2#，3#學(xué)生公寓樓為例，該工程的建筑面積為27 725.1 m2，屬于通廊式公寓樓，地上6層，地下1層（設(shè)備管道層）。地基寬22.5 m，長(zhǎng)103.4 m；地基的厚度總共為2 m，其中包括0.5 m厚胞腔袋和1.5 m厚的砂石墊層。

3.1 地基墊層施工工藝

地基墊層施工工藝包括以下幾方面：①材料拌和。用裝載機(jī)將河卵石和毛砂按3∶7的比例均勻拌和，并清除拌和物中的夾雜物。②放置胞腔袋。將拌好的砂石裝至結(jié)實(shí)的編織袋，裝至袋子2/3方可，并用封口機(jī)縫嚴(yán)，丁順相間，壓實(shí)平放。共鋪設(shè)兩層胞腔袋，且每滿鋪一層后，用毛砂將胞腔袋之間的縫隙填滿。③鋪設(shè)砂石墊層。鋪筑砂石每層的厚度一般為15～35 cm，分層厚度可用樣樁控制。④夯實(shí)或碾壓。每層采用壓路機(jī)往復(fù)碾壓，一般碾壓不少于4次，其輪距搭接≥50 cm。邊緣和轉(zhuǎn)角處應(yīng)該用人工或蛙式打夯機(jī)補(bǔ)夯密實(shí)，壓實(shí)系數(shù)>0.95. ⑤灑水。為了保證砂石墊層之間的黏結(jié)性，適當(dāng)?shù)卦趬|層表面灑水，保持砂石的最佳含水量，一般控制在8%～l2%之間。⑥找平和驗(yàn)收。施工時(shí)應(yīng)分層找平，夯壓密實(shí)，下層密實(shí)度合格后，方可進(jìn)行上層施工。⑦重復(fù)以上做法，共鋪設(shè)5層砂石墊層，最后一層壓（夯）完成后，表面應(yīng)拉線找平，并且要符合設(shè)計(jì)規(guī)定的標(biāo)高。⑧本工程地基在第2，4砂石墊層表面處需鋪加筋層，加筋帶采用TG5025型，中心間距500 mm，雙向布置，鋪設(shè)筋帶時(shí)先縱向再橫向，應(yīng)順平、拉緊、平鋪，避免折扭。筋帶的連接通常用搭接法，最小搭接長(zhǎng)度≥1 m，連接強(qiáng)度不低于原筋材料強(qiáng)度?？v橫筋帶交接處采用鐵釘釘接法固定，鐵釘使用前應(yīng)進(jìn)行防銹處理。邊緣處筋帶反包回折壓入墊層，回折長(zhǎng)度3 m，邊緣回折處用胞腔袋壓實(shí)，反包回折的端部應(yīng)先設(shè)置土工編織袋，然后再回折。鋪設(shè)加筋帶時(shí)，應(yīng)平順、拉緊、鋪平，避免長(zhǎng)時(shí)間暴曬或暴露，并將筋帶及時(shí)定位或重壓。

3.2 地基承載力試驗(yàn)

為了測(cè)算本地基的沉降量，共取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，通過地基承載力試驗(yàn)確定其沉降量。

3.2.1 試驗(yàn)方法

加筋采用慢速維持載荷法，即逐級(jí)加載，每級(jí)載荷達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，再施加下一級(jí)載荷，直至試驗(yàn)限定的最大加載值。本次試驗(yàn)最大荷載值為264 kPa，每級(jí)加載值為最大加荷值的1/11.

3.2.2 觀測(cè)方法

每級(jí)加載完成后，間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，測(cè)記一次承壓板沉降量，以后每隔30 min讀一次。

當(dāng)在連續(xù)2 h內(nèi)，每小時(shí)的沉降量都<0.1 mm時(shí)，則認(rèn)為該級(jí)載荷已趨于穩(wěn)定，可加載下一級(jí)荷載。

當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)，即可終止加載，且將其對(duì)應(yīng)的前一級(jí)荷載定位極限荷載：①承壓板周圍的土明顯地側(cè)向擠出；②沉降量S急劇增大，荷載—沉降（P-S）曲線出現(xiàn)陡降段；③在某一級(jí)荷載下，24 h內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定。

3.2.3 數(shù)據(jù)整理

根據(jù)試驗(yàn)記錄可知1，2，3號(hào)點(diǎn)的地基承載力沉降值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2.4 承載力特征值

當(dāng)最終加荷值達(dá)到264 kPa時(shí)，該級(jí)荷載作用下承壓板沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后，累計(jì)沉降，其中S1點(diǎn)沉降5.76 mm，S2點(diǎn)沉降5.62 mm，S3點(diǎn)沉降7.25 mm；卸載后殘余沉降量為S1點(diǎn)4.35 mm，S2點(diǎn)4.23 mm，S3點(diǎn)5.87 mm；該點(diǎn)P-S曲線呈緩變形，特征點(diǎn)不明顯，無明顯陡降段，最終沉降量尚未達(dá)到0.01 mm。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007—2011附錄C綜合分析考慮，取最大加載值的1/2——132 kPa作為該點(diǎn)的墊層承載力特征值。

4 MSC.PATRAN/Nastran有限元分析模塊的應(yīng)用

由于加筋材料在軟土地基方面的應(yīng)用越來越廣泛，同時(shí)加筋材料的性能和鋪設(shè)方式直接影響著地基的使用，因此從鋪設(shè)工藝的角度設(shè)計(jì)出適合軟土地基加筋帶的鋪設(shè)方式至關(guān)重要。

通過對(duì)無砂墊層、一層土工格柵加筋砂墊層和兩層土工格柵加筋砂墊層三種不同的砂石地基進(jìn)行有限元分析，了解塑料土工格柵加筋堤的加筋機(jī)理和效果。選取的墊層模型為長(zhǎng)度5 m、寬度2 m、厚度為1.5 m的雙層砂石加筋墊層，采用六面體單元對(duì)其進(jìn)行分析，并施加垂直于板面大小為120 kPa的面壓力，實(shí)體的兩端邊界采取剛性固定。此外，運(yùn)用MSC.Nastran有限元軟件，分別對(duì)砂石墊層在無加筋、一層加筋和二層加筋三種狀況下的應(yīng)力和豎向沉降位移進(jìn)行有限元計(jì)算，加筋帶鋪設(shè)的間距和兩層筋帶的間距都為0.5 m。

5 結(jié)束語

結(jié)合PATRAN有限元分析，對(duì)有加筋、無筋復(fù)合地基進(jìn)行比較?？芍?，在相同荷載120 kPa作用下，加筋復(fù)合地基的沉降和應(yīng)力都明顯減小，其承載力有明顯提高，從而證明了加筋墊層的可靠性和適用性。

用有限元法分析加筋砂石墊層加固軟地基，不僅可以模擬土工格柵筋材和土體之間的相互作用，建立較準(zhǔn)確的土體本構(gòu)模型，計(jì)算出軟土地基內(nèi)任一點(diǎn)的位移和應(yīng)力，反映位移和應(yīng)力的分布規(guī)律；還可以對(duì)不同的地基情況、不同的加筋材料和不同的接觸面條件分別考慮，這些都是傳統(tǒng)的極限平衡法所不及的。

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〔編輯：李玨〕

Abstract： Based on the characteristics of geotechnical reinforcement with performance， with a college sand foundation as an example， carries on the foundation bearing capacity test， testing the whole sand reinforced cushion the reliability and stability of the foundation. PATRAN finite element software were used to laid in different layer and different paving density of soft soil foundation reinforcement with calculation， analysis， determine suitable for laying way， thus for geotechnical reinforcement with dealing with soft soil foundation.

Key words： soft soil foundation； reinforcement； bearing capacity； finite element analysis