高層建筑加筋砂石墊層地基處理設(shè)計(jì)分析

楊 志 強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002)

0 引言

近年來，加筋墊層在高層建筑地基處理中被迅速推廣和采用。其承載力和應(yīng)力擴(kuò)散角優(yōu)勢相對(duì)于其他墊層大幅增加，但在加筋墊層的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)了一系列的問題，其成熟應(yīng)用仍需進(jìn)一步完善和提高。在加筋墊層地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏成熟的理論依據(jù)，往往依靠自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過于保守。

1 加筋砂石墊層地基處理原理

施工過程中筋帶與壓實(shí)砂石緊密接觸，上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，充分發(fā)揮加筋墊層中土工復(fù)合筋帶的高抗拉強(qiáng)度，從而抵消部分上部結(jié)構(gòu)荷載，同時(shí)又將剩余荷載均勻傳導(dǎo)至下部地基土中，且加筋墊層在基底壓力作用下產(chǎn)生變形，筋帶與砂石之間的相對(duì)位移使兩者界面產(chǎn)生摩擦力，界面摩擦力使筋帶產(chǎn)生拉力，拉力的方向指向基礎(chǔ)的外側(cè)并偏向上方，因此，拉力的向上分力起張力膜作用，直接平衡向下的附加應(yīng)力，并且在上部荷載的作用下筋層界面上的土工復(fù)合筋帶與砂石之間的摩阻力使得砂石側(cè)向移動(dòng)受到限制，從整體限制了加筋砂石墊層的剪切，側(cè)向擠出及隆起，增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度和抗彎剛度，進(jìn)而提高和保證了加筋墊層的整體性和剛度，一定程度上有效地提高了地基承載力，減小了地基的變形和增大了地基穩(wěn)定性[1]。另外加筋墊層在上部荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力擴(kuò)散，將荷載較均勻地分布到較大基底范圍內(nèi)，降低地基的不均勻沉降。

2 加筋墊層地基處理設(shè)計(jì)分析

影響加筋墊層作用效果的主要因素有筋材種類、布置型式、應(yīng)力擴(kuò)散效果以及墊層壓實(shí)效果。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)例從下列7個(gè)方面進(jìn)行分析：

1)筋帶選擇。

加筋墊層中的土工復(fù)合筋帶應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度高，受拉延伸率小，耐腐蝕和柔韌性好，界面摩擦性能好等特點(diǎn)。高層建筑越高，荷載越大，筋帶抗拉強(qiáng)度應(yīng)越大，摩擦性能應(yīng)越好。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮不同型號(hào)筋帶對(duì)抗拉強(qiáng)度發(fā)揮的影響作用，還可考慮通過增加筋帶界面摩阻力來提高其抗拉強(qiáng)度的發(fā)揮，從而提高加筋效果。

2)筋帶層間距。

筋帶受力與筋帶層間距密切相關(guān)。若首層加筋間距小，加荷過程中，筋帶前期就受到較大應(yīng)力，后期筋帶應(yīng)力上升不太明顯；若首層加筋間距大，加荷后期筋帶作用明顯，筋帶應(yīng)力突然陡增；首層筋帶設(shè)置居中者，筋帶應(yīng)力在整個(gè)加荷過程中增長緩慢，受力均勻。設(shè)計(jì)時(shí)通常首層筋帶間距宜取墊層厚度的25%～30%，下部筋帶層間距宜取墊層厚度的20%～25%，且不應(yīng)小于300 mm。墊層厚度大的取小值，墊層厚度小的取大值。墊層下部筋帶層間距應(yīng)比墊層上部筋帶層間距小，有利于筋帶受力均衡。

3)筋帶層數(shù)。

對(duì)于一層筋帶的墊層，其壓力擴(kuò)散角變動(dòng)范圍為34°～38°，對(duì)于二層筋帶的墊層，其壓力擴(kuò)散角變動(dòng)范圍為40°～44°[2]，試驗(yàn)表明墊層內(nèi)鋪設(shè)2層筋帶比鋪設(shè)1層筋帶壓力擴(kuò)散角提高顯著。當(dāng)筋帶層數(shù)增加到3層時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角變化較小，此時(shí)加筋墊層層數(shù)的變化對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散角幾乎沒有影響。設(shè)計(jì)時(shí)墊層厚度小于1.8 m時(shí)可設(shè)置2層筋帶，墊層厚度大于1.8 m時(shí)可設(shè)置3層或3層以上筋帶。

4)筋帶密度。

在一定范圍內(nèi)筋帶鋪設(shè)線密度越大，加筋砂石墊層的應(yīng)力擴(kuò)散效果越明顯，通常加筋線密度取0.15～0.35。載荷越大，線密度取大值，載荷越小，線密度取小值。

5)筋帶錨固段長度。

由于在建筑物荷載作用下，加筋墊層發(fā)生應(yīng)力重分布，邊緣荷載相對(duì)于中間大，故墊層邊緣的筋帶應(yīng)有足夠的錨固長度，高層建筑荷載越大，筋帶受到的拉力也越大，若錨固段筋帶與土體的接觸面積小，錨固力就小，則會(huì)導(dǎo)致因錨固力不足而發(fā)生筋帶拔出破壞。通常錨固長度不小于2.5 m，且最好宜回折伸入至基礎(chǔ)下面一定長度[3]。

6)應(yīng)力擴(kuò)散角。

在雙層加筋中，筋帶層間距的變化對(duì)墊層應(yīng)力擴(kuò)散角的影響不顯著，但筋帶的層數(shù)對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散角的影響較顯著，不同的筋帶材料對(duì)加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角影響較顯著。對(duì)于設(shè)置一層筋帶的加筋墊層，應(yīng)力擴(kuò)散角宜取26°，設(shè)置兩層及以上筋帶時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角宜取35°。

7)墊層壓實(shí)效果。

當(dāng)加筋墊層壓實(shí)度達(dá)不到要求時(shí)，荷載作用下筋帶早期受到的拉應(yīng)力很小，筋帶發(fā)揮作用不明顯。隨著荷載的加大，局部位置筋帶受力會(huì)陡然增大，容易導(dǎo)致地基失穩(wěn)破壞。故設(shè)計(jì)施工時(shí)砂石墊層壓實(shí)效果應(yīng)達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，壓實(shí)系數(shù)λc≥0.96。

3 加筋墊層地基處理設(shè)計(jì)案例

平頂山某小區(qū)建筑物最高達(dá)30層，地下1層，高層建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面平均壓力標(biāo)準(zhǔn)組合值為415 kPa。建筑物筏板基礎(chǔ)埋深在自然地面下4.80 m，基礎(chǔ)持力層為④層粉質(zhì)粘土。由于建筑物較高，荷載較大，天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，采用加筋砂石墊層地基處理方案。

3.1 加筋墊層地基方案設(shè)計(jì)參數(shù)

地基土的厚度h、承載力特征值fak、壓縮模量Es如表1所示。

表1 地基土設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

3.2 加筋墊層地基處理設(shè)計(jì)

加筋砂石墊層設(shè)計(jì)總厚度2.8 m，共設(shè)置5層筋帶，首層筋帶距墊層頂面的距離為0.6 m，其他各層筋帶之間的距離從上至下分別為0.5 m,0.5 m,0.4 m,0.4 m，底層填料為0.4 m。如圖1所示為加筋砂石墊層結(jié)構(gòu)示意圖。加筋砂石墊層設(shè)計(jì)要求如下：

1)筋帶采用SBJD/GF塑玻土工復(fù)合筋帶，規(guī)格為2.5 mm×50 mm，抗拉強(qiáng)度Tu≥120 MPa，伸長率δ≤3%，似摩擦系數(shù)fs≥0.5，土工復(fù)合筋帶應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度和較低的延伸率，筋帶表面具有粗花紋，界面摩擦性能高。

2)筋帶采用雙向方格網(wǎng)狀鋪設(shè)。各層筋帶水平間距為333 mm。

3)筋帶的兩端頭采用回折錨固?；A(chǔ)邊筋帶應(yīng)反包回折壓入墊層，端頭反包回折不小于3.0 m。

4)回填材料采用級(jí)配良好天然砂卵石，分層壓實(shí)厚度根據(jù)筋帶層間距取200 mm～300 mm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。卵石不會(huì)對(duì)土工復(fù)合筋帶造成損傷，且平頂山地區(qū)沙河和汝河沿線均分布有大量天然砂卵石資源，取材便利，價(jià)格便宜。

加筋墊層施工工藝簡單容易操作，不受場地環(huán)境限制，不用大型機(jī)械設(shè)備，施工質(zhì)量容易控制。如圖2所示為加筋墊層施工圖。

4 加筋墊層地基檢測和監(jiān)測

4.1 地基承載力檢測

為了檢驗(yàn)地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，本工程在加筋墊層施工完成后隨機(jī)進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)的淺層平板載荷試驗(yàn)，載荷板面積1.0 m2。3個(gè)點(diǎn)的地基承載力達(dá)到1 000 kPa時(shí)地基均沒有破壞，平均沉降為6.21 mm。表明采用加筋砂卵石墊層地基方案后地基穩(wěn)定，而且對(duì)于30層高層建筑地基承載力還有較大富余量。

4.2 地基沉降變形監(jiān)測

為給地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反饋信息，從工程開工到工程竣工沉降變形穩(wěn)定階段，不間斷觀測高程建筑各部位的沉降變形。沿建筑物周圍共布置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，地基沉降變形見圖3。結(jié)果顯示建筑物平均累計(jì)沉降量為26.4 mm，最大沉降量為29.2 mm，最小沉降量為23.6 mm，沉降傾斜為0.000 25，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[4]。表明采用加筋砂卵石墊層地基方案后，地基沉降變形較小，沉降很均勻。

檢測和監(jiān)測結(jié)果表明，設(shè)計(jì)采用加筋墊層地基方案運(yùn)用到30層高層建筑物中是非常成功的。

5 結(jié)語

1)加筋墊層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮筋帶選擇，筋帶層數(shù)、間距、密度、錨固長度，應(yīng)力擴(kuò)散角，墊層壓實(shí)效果等因素的影響。加筋墊層材料宜選用天然級(jí)配良好的砂卵石。

2)加筋墊層可以有效提高地基承載力和加固土的壓縮模量，減小地基的沉降變形和差異沉降，增強(qiáng)地基穩(wěn)定性。

3)加筋砂卵石墊層施工工藝簡單容易操作，不受場地環(huán)境限制，不用大型機(jī)械設(shè)備，施工質(zhì)量容易控制。

4)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用案例檢測和監(jiān)測結(jié)果，在30層高層建筑物中采用加筋砂卵石墊層地基方案是可行的。