加筋地基研究進展綜述

■鄒 桐 ■中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032

1 引言

工程實際中，部分天然土體因含水量低、流動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，需要對地基進行加固和處理。加筋地基就是在基礎下的一定深度范圍土體內鋪設適當的抗拉材料，從而改善軟弱地基受力性能的一種方法。對加筋地基的相關研究表明，加筋能擴散土體中的應力和限制土體側向位移，從而明顯地提高地基的承載力和減小地基沉降，因此在工程界中應用廣泛。本文綜述了加筋地基的試驗研究、加固機理、破壞模式等幾個方面的研究成果，分析了現有加筋地基試驗的難點問題以及研究成果中的不足，展望了加筋地基應用的發展趨勢。

2 加筋方式

加筋地基主要通過不同材料、不同形式的筋材，通過有機的布置實現提高地基承載力的作用。目前關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 首次試驗證明了加筋地基的有效性，Yamanouchi 通過在軟土中分層鋪設土工網開創性地研究了加筋對地基承載力的影響，Khing 等眾多學者都就布筋方式對加筋地基的影響展開了研究，Gabr 眾多學者對加筋地基的加固機理和破壞模式進行了研究并提出了地基承載力計算公式。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法對已有建筑物的地基進行加固。

基于對土體施加側限可以改變土體破壞性狀的認識，豎向加筋的概念應用而生。Basset 等首次探討了非水平向加筋的可能。Verma 從加固已有危險建筑物地基的角度出發，展開了一系列豎向加筋地基的模型試驗研究，實驗結果表明，豎筋加筋范圍和加筋體間距對地基承載力具有較大地影響，豎筋布置得當的話，能較好地加固危險建筑物的地基?？傮w說來，豎向加筋地基具有不大開挖方面的優勢，但對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際中普遍應用。

結合水平向加筋和豎向加筋的優缺點，一些學者建立了立體加筋的構想。謝文東［63］提出了“加筋環”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、豎向為一體的水平-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，并通過一系列試驗初步證明了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力、均化應力分布、提高承載力、減少側向位移并降低豎向沉降，筋材作用的發揮與其本身的形式和變形有關，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加筋效果的研究甚廣，主要參數包括加筋長度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 首次研究條形基礎下的加筋地基以來，眾多學者都對水平加筋地基的布筋方式展開了不懈的努力。Shin 認為加筋層的最大有效深度為2B、加筋地基承載力隨基礎埋深以及加筋層數的增加而增加。Yetimoglu 等人對矩形基礎下的加筋砂土地基研究表明:首層加筋深度的最優值在0.3B 附近;層間間距的最優值和加筋層數有關，其值介于0.2B 到0.4B 之間;加筋總深度的最大值為1.5B;Omar 的研究認為地基承載力隨基礎寬度B 的增加而減小，當基礎寬度超過130mm 時，加筋地基承載力趨近于一個常數。概括來說，加筋地基的加筋效果和筋材布置位置密切相關，主要結論有:(1)首層加筋深度和層間間距在0.3B 附近時加筋效果最好。(2)加筋的有效深度在2B 以內，超過2B 后加筋對地基承載力幾乎沒有提高。(3)加筋長度在5B-7B 附近時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較多，當首層加筋深度和層間間距控制適當時，最優加筋層數在2 到4 層之間。(5)地基承載力隨基礎寬度B 的增加而減小，存在一個極值。

3 加固機理

Huang 和Tatsuoka 通過短加筋試驗(如筋材長度與基礎寬度相等)對地基進行了研究，認為加筋會在地基中產生“深基礎效應”，也就是說，在基礎下的加筋相當于增加了基礎的埋置深度。Gabr 等人后來進一步的研究表明，加筋明顯地增大了應力擴散角并減緩了應力擴散角衰減的速度，從而加深了破裂面的位置，延緩了破裂面的出現。王偉得到了加筋墊層在復合地基中形成了一個“自撐式的持力體系”的結論。概括對加筋地基加固機理的研究成果，加筋地基的加固機理可以歸納為以下三個方面:

(1)隔離作用。筋材相當于一個剛性邊界，破壞發生在加筋層上部。筋材起到擴散和均化應力，改變地基的應力場和應變場，進而提高地基承載力和減小地基沉降的作用。筋材離基礎底面較遠，剛度較大時，隔離作用明顯。

(2)膜效應。隨著加筋地基上部荷載的增大，基礎和基礎下的砂土一起發生沉降，基礎下的筋材在荷載作用下因自身剛度產生向上的作用力，約束基礎下砂土的沉降，基礎外的筋材呈現為反向曲線產生了一個向下的壓力，約束基礎兩側地基土的隆起，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。筋材的膜效應只有在地基具有較大沉降、筋材具有足夠長度和剛度的情況下才會產生。筋材柔韌性越好，荷載越大，筋材的膜效應越明顯。

(3)側向變形的約束作用。上部荷載作用下筋土間產生相對滑移，使得筋土表面產生摩擦力，這些摩擦力限制了地基土體的側向變形、改變了破裂面產生的位置和形狀，使得破裂面位置加深，從而提高了地基承載力并調整了不均勻沉降。地基變形較大、筋材較長時，筋材的側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下設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律，認為加筋地基的破壞模式和筋材的布置位置密切相關，根據布筋位置的不同，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換，筋材的破壞主要在基礎邊緣邊緣或靠近中心處，而不是在經典的滑移面上。Huang 和Tatsuoka 認為根據筋材的長度、剛度、加筋間距和疏密程度等，加筋地基會出現加筋區以下土體的破壞和加筋區本身的破壞兩種破壞模式。王釗認為筋材的破壞發生在基礎邊緣下方筋材與壓力擴散線的交點上，可以應用抗拉斷和抗拔出極限狀態推導加筋地基增加的極限承載力和筋材長度的設計公式。

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，目前對水平加筋的研究較多，但對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地研究。因此，對其他加筋形式深入地研究對于加筋地基具有重要的工程應用價值和參考意義。

(2)加固機理。對于加筋土結構的加筋基理雖然學者們進行了廣泛的研究，但大多局限于土與加筋體的相互作用，而在實際工程中，不同邊界條件、不同形式荷載對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雜性，目前對加筋地基的破壞模式和破裂面的發展過程還知之甚少。因此，如何結合圖像辨別展開對加筋地基破壞模式和破裂面發展過程的研究，對于提高對加筋地基的認識水平具有重要意義。

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