加筋地基研究進(jìn)展綜述

■鄒 桐 ■中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032

1 引言

工程實(shí)際中，部分天然土體因含水量低、流動(dòng)性大以及顆粒間粘聚力低等原因而使得地基承載力較低，為了建筑物的正常使用，需要對(duì)地基進(jìn)行加固和處理。加筋地基就是在基礎(chǔ)下的一定深度范圍土體內(nèi)鋪設(shè)適當(dāng)?shù)目估牧希瑥亩纳栖浫醯鼗芰π阅艿囊环N方法。對(duì)加筋地基的相關(guān)研究表明，加筋能擴(kuò)散土體中的應(yīng)力和限制土體側(cè)向位移，從而明顯地提高地基的承載力和減小地基沉降，因此在工程界中應(yīng)用廣泛。本文綜述了加筋地基的試驗(yàn)研究、加固機(jī)理、破壞模式等幾個(gè)方面的研究成果，分析了現(xiàn)有加筋地基試驗(yàn)的難點(diǎn)問(wèn)題以及研究成果中的不足，展望了加筋地基應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2 加筋方式

加筋地基主要通過(guò)不同材料、不同形式的筋材，通過(guò)有機(jī)的布置實(shí)現(xiàn)提高地基承載力的作用。目前關(guān)于地基加筋方式的研究主要集中在筋材形式和布筋位置兩個(gè)方面。

(1)筋材形式。目前，常用的加筋材料按幾何形狀可分為:一維水平豎向的纖維或條帶、二維的土工格柵和織物以及三維的土工格室等。水平加筋在加筋地基中研究甚廣。Binquet 和Lee 首次試驗(yàn)證明了加筋地基的有效性，Yamanouchi 通過(guò)在軟土中分層鋪設(shè)土工網(wǎng)開(kāi)創(chuàng)性地研究了加筋對(duì)地基承載力的影響，Khing 等眾多學(xué)者都就布筋方式對(duì)加筋地基的影響展開(kāi)了研究，Gabr 眾多學(xué)者對(duì)加筋地基的加固機(jī)理和破壞模式進(jìn)行了研究并提出了地基承載力計(jì)算公式。然而，由于在地基中加水平筋必須把地基土全部挖除，因此該種加筋地基只適用于新建建筑物而無(wú)法對(duì)已有建筑物的地基進(jìn)行加固。

基于對(duì)土體施加側(cè)限可以改變土體破壞性狀的認(rèn)識(shí)，豎向加筋的概念應(yīng)用而生。Basset 等首次探討了非水平向加筋的可能。Verma 從加固已有危險(xiǎn)建筑物地基的角度出發(fā)，展開(kāi)了一系列豎向加筋地基的模型試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，豎筋加筋范圍和加筋體間距對(duì)地基承載力具有較大地影響，豎筋布置得當(dāng)?shù)脑挘茌^好地加固危險(xiǎn)建筑物的地基?？傮w說(shuō)來(lái)，豎向加筋地基具有不大開(kāi)挖方面的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)豎向加筋地基的研究目前還處于起步階段，因此還需要更深入地研究，才可能使得豎向加筋在工程實(shí)際中普遍應(yīng)用。

結(jié)合水平向加筋和豎向加筋的優(yōu)缺點(diǎn)，一些學(xué)者建立了立體加筋的構(gòu)想。謝文東［63］提出了“加筋環(huán)”的新型加筋形式。Lawton 等提出了一種“正交啞鈴”式多方向的土工合成材料的加筋方式;張孟喜提出了集水平、豎向?yàn)橐惑w的水平-豎向組合立體加筋方式(H -V 加筋)，形成一種空間的三維加筋體系，并通過(guò)一系列試驗(yàn)初步證明了H -V加筋的有效性。

上述研究表明，筋材能降低地基中的附加應(yīng)力、均化應(yīng)力分布、提高承載力、減少側(cè)向位移并降低豎向沉降，筋材作用的發(fā)揮與其本身的形式和變形有關(guān)，加筋效果與加筋率成正比。

(2)布筋方式。目前水平加筋布筋方式對(duì)加筋效果的研究甚廣，主要參數(shù)包括加筋長(zhǎng)度l、加筋層間距z、加筋總深度d、首層加筋深度u和加筋層數(shù)N 等(示意如圖1所示)。

圖1 筋材布置示意圖

自Binquet 和Lee 首次研究條形基礎(chǔ)下的加筋地基以來(lái)，眾多學(xué)者都對(duì)水平加筋地基的布筋方式展開(kāi)了不懈的努力。Shin 認(rèn)為加筋層的最大有效深度為2B、加筋地基承載力隨基礎(chǔ)埋深以及加筋層數(shù)的增加而增加。Yetimoglu 等人對(duì)矩形基礎(chǔ)下的加筋砂土地基研究表明:首層加筋深度的最優(yōu)值在0.3B 附近;層間間距的最優(yōu)值和加筋層數(shù)有關(guān)，其值介于0.2B 到0.4B 之間;加筋總深度的最大值為1.5B;Omar 的研究認(rèn)為地基承載力隨基礎(chǔ)寬度B 的增加而減小，當(dāng)基礎(chǔ)寬度超過(guò)130mm 時(shí)，加筋地基承載力趨近于一個(gè)常數(shù)。概括來(lái)說(shuō)，加筋地基的加筋效果和筋材布置位置密切相關(guān)，主要結(jié)論有:(1)首層加筋深度和層間間距在0.3B 附近時(shí)加筋效果最好。(2)加筋的有效深度在2B 以內(nèi)，超過(guò)2B 后加筋對(duì)地基承載力幾乎沒(méi)有提高。(3)加筋長(zhǎng)度在5B-7B 附近時(shí)筋土之間的作用力較大，有助于提高加筋效果。(4)影響多層加筋地基的參數(shù)較多，當(dāng)首層加筋深度和層間間距控制適當(dāng)時(shí)，最優(yōu)加筋層數(shù)在2 到4 層之間。(5)地基承載力隨基礎(chǔ)寬度B 的增加而減小，存在一個(gè)極值。

3 加固機(jī)理

Huang 和Tatsuoka 通過(guò)短加筋試驗(yàn)(如筋材長(zhǎng)度與基礎(chǔ)寬度相等)對(duì)地基進(jìn)行了研究，認(rèn)為加筋會(huì)在地基中產(chǎn)生“深基礎(chǔ)效應(yīng)”，也就是說(shuō)，在基礎(chǔ)下的加筋相當(dāng)于增加了基礎(chǔ)的埋置深度。Gabr 等人后來(lái)進(jìn)一步的研究表明，加筋明顯地增大了應(yīng)力擴(kuò)散角并減緩了應(yīng)力擴(kuò)散角衰減的速度，從而加深了破裂面的位置，延緩了破裂面的出現(xiàn)。王偉得到了加筋墊層在復(fù)合地基中形成了一個(gè)“自撐式的持力體系”的結(jié)論。概括對(duì)加筋地基加固機(jī)理的研究成果，加筋地基的加固機(jī)理可以歸納為以下三個(gè)方面:

(1)隔離作用。筋材相當(dāng)于一個(gè)剛性邊界，破壞發(fā)生在加筋層上部。筋材起到擴(kuò)散和均化應(yīng)力，改變地基的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而提高地基承載力和減小地基沉降的作用。筋材離基礎(chǔ)底面較遠(yuǎn)，剛度較大時(shí)，隔離作用明顯。

(2)膜效應(yīng)。隨著加筋地基上部荷載的增大，基礎(chǔ)和基礎(chǔ)下的砂土一起發(fā)生沉降，基礎(chǔ)下的筋材在荷載作用下因自身剛度產(chǎn)生向上的作用力，約束基礎(chǔ)下砂土的沉降，基礎(chǔ)外的筋材呈現(xiàn)為反向曲線產(chǎn)生了一個(gè)向下的壓力，約束基礎(chǔ)兩側(cè)地基土的隆起，這些作用的重疊和交叉在加筋平面類似于一張張緊的薄膜約束了基土的整體變形，限制了地基的塑性流動(dòng)。筋材的膜效應(yīng)只有在地基具有較大沉降、筋材具有足夠長(zhǎng)度和剛度的情況下才會(huì)產(chǎn)生。筋材柔韌性越好，荷載越大，筋材的膜效應(yīng)越明顯。

(3)側(cè)向變形的約束作用。上部荷載作用下筋土間產(chǎn)生相對(duì)滑移，使得筋土表面產(chǎn)生摩擦力，這些摩擦力限制了地基土體的側(cè)向變形、改變了破裂面產(chǎn)生的位置和形狀，使得破裂面位置加深，從而提高了地基承載力并調(diào)整了不均勻沉降。地基變形較大、筋材較長(zhǎng)時(shí)，筋材的側(cè)向變形約束作用越明顯。

4 破壞模式

Binquet 和Lee 首次研究了條形基礎(chǔ)下設(shè)置水平向加筋墊層提高地基承載力和改善地基變形特性的效果及規(guī)律，認(rèn)為加筋地基的破壞模式和筋材的布置位置密切相關(guān)，根據(jù)布筋位置的不同，加筋地基的破壞模式在土體的剪切破壞、筋材的擠出破壞和筋材的拉伸破壞三種破壞模式間轉(zhuǎn)換，筋材的破壞主要在基礎(chǔ)邊緣邊緣或靠近中心處，而不是在經(jīng)典的滑移面上。Huang 和Tatsuoka 認(rèn)為根據(jù)筋材的長(zhǎng)度、剛度、加筋間距和疏密程度等，加筋地基會(huì)出現(xiàn)加筋區(qū)以下土體的破壞和加筋區(qū)本身的破壞兩種破壞模式。王釗認(rèn)為筋材的破壞發(fā)生在基礎(chǔ)邊緣下方筋材與壓力擴(kuò)散線的交點(diǎn)上，可以應(yīng)用抗拉斷和抗拔出極限狀態(tài)推導(dǎo)加筋地基增加的極限承載力和筋材長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)公式。

5 展望

(1)加筋方式。加筋地基的變形與承載力特性與筋材的形式密切相關(guān)，目前對(duì)水平加筋的研究較多，但對(duì)其它加筋形式如水平加筋的包裹形式、豎向加筋及立體加筋等還缺乏詳盡而系統(tǒng)地研究。因此，對(duì)其他加筋形式深入地研究對(duì)于加筋地基具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和參考意義。

(2)加固機(jī)理。對(duì)于加筋土結(jié)構(gòu)的加筋基理雖然學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的研究，但大多局限于土與加筋體的相互作用，而在實(shí)際工程中，不同邊界條件、不同形式荷載對(duì)加筋地基的影響同樣值得探討。

(3)破壞模式。由于加筋地基破壞形式的復(fù)雜性，目前對(duì)加筋地基的破壞模式和破裂面的發(fā)展過(guò)程還知之甚少。因此，如何結(jié)合圖像辨別展開(kāi)對(duì)加筋地基破壞模式和破裂面發(fā)展過(guò)程的研究，對(duì)于提高對(duì)加筋地基的認(rèn)識(shí)水平具有重要意義。

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