高層建筑加筋砂石墊層地基處理設計分析

楊 志 強

(中煤科工集團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。其承載力和應力擴散角優(yōu)勢相對于其他墊層大幅增加，但在加筋墊層的工程設計實踐過程中，發(fā)現(xiàn)了一系列的問題，其成熟應用仍需進一步完善和提高。在加筋墊層地基處理設計時，由于缺乏成熟的理論依據(jù)，往往依靠自身設計經(jīng)驗，設計過于保守。

1 加筋砂石墊層地基處理原理

施工過程中筋帶與壓實砂石緊密接觸，上部結構荷載作用下，充分發(fā)揮加筋墊層中土工復合筋帶的高抗拉強度，從而抵消部分上部結構荷載，同時又將剩余荷載均勻傳導至下部地基土中，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的外側并偏向上方，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力，并且在上部荷載的作用下筋層界面上的土工復合筋帶與砂石之間的摩阻力使得砂石側向移動受到限制，從整體限制了加筋砂石墊層的剪切，側向擠出及隆起，增強了土體的抗剪強度和抗彎剛度，進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)生應力擴散，將荷載較均勻地分布到較大基底范圍內，降低地基的不均勻沉降。

2 加筋墊層地基處理設計分析

影響加筋墊層作用效果的主要因素有筋材種類、布置型式、應力擴散效果以及墊層壓實效果。設計時應結合實例從下列7個方面進行分析：

1)筋帶選擇。

加筋墊層中的土工復合筋帶應具有抗拉強度高，受拉延伸率小，耐腐蝕和柔韌性好，界面摩擦性能好等特點。高層建筑越高，荷載越大，筋帶抗拉強度應越大，摩擦性能應越好。設計過程中應考慮不同型號筋帶對抗拉強度發(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。若首層加筋間距小，加荷過程中，筋帶前期就受到較大應力，后期筋帶應力上升不太明顯；若首層加筋間距大，加荷后期筋帶作用明顯，筋帶應力突然陡增；首層筋帶設置居中者，筋帶應力在整個加荷過程中增長緩慢，受力均勻。設計時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)。

對于一層筋帶的墊層，其壓力擴散角變動范圍為34°～38°，對于二層筋帶的墊層，其壓力擴散角變動范圍為40°～44°[2]，試驗表明墊層內鋪設2層筋帶比鋪設1層筋帶壓力擴散角提高顯著。當筋帶層數(shù)增加到3層時，應力擴散角變化較小，此時加筋墊層層數(shù)的變化對應力擴散角幾乎沒有影響。設計時墊層厚度小于1.8 m時可設置2層筋帶，墊層厚度大于1.8 m時可設置3層或3層以上筋帶。

4)筋帶密度。

在一定范圍內筋帶鋪設線密度越大，加筋砂石墊層的應力擴散效果越明顯，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)生應力重分布，邊緣荷載相對于中間大，故墊層邊緣的筋帶應有足夠的錨固長度，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，則會導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下面一定長度[3]。

6)應力擴散角。

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

7)墊層壓實效果。

當加筋墊層壓實度達不到要求時，荷載作用下筋帶早期受到的拉應力很小，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陡然增大，容易導致地基失穩(wěn)破壞。故設計施工時砂石墊層壓實效果應達到密實狀態(tài)，壓實系數(shù)λc≥0.96。

3 加筋墊層地基處理設計案例

平頂山某小區(qū)建筑物最高達30層，地下1層，高層建筑采用剪力墻結構，筏板基礎，基礎底面平均壓力標準組合值為415 kPa。建筑物筏板基礎埋深在自然地面下4.80 m，基礎持力層為④層粉質粘土。由于建筑物較高，荷載較大，天然地基承載力不滿足設計要求，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計參數(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 地基土設計參數(shù)一覽表

3.2 加筋墊層地基處理設計

加筋砂石墊層設計總厚度2.8 m，共設置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構示意圖。加筋砂石墊層設計要求如下：

1)筋帶采用SBJD/GF塑玻土工復合筋帶，規(guī)格為2.5 mm×50 mm，抗拉強度Tu≥120 MPa，伸長率δ≤3%，似摩擦系數(shù)fs≥0.5，土工復合筋帶應具有較高的抗拉強度和較低的延伸率，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。各層筋帶水平間距為333 mm。

3)筋帶的兩端頭采用回折錨固。基礎邊筋帶應反包回折壓入墊層，端頭反包回折不小于3.0 m。

4)回填材料采用級配良好天然砂卵石，分層壓實厚度根據(jù)筋帶層間距取200 mm～300 mm，壓實系數(shù)不小于0.97。卵石不會對土工復合筋帶造成損傷，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，不用大型機械設備，施工質量容易控制。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

為了檢驗地基的強度和穩(wěn)定性，本工程在加筋墊層施工完成后隨機進行了3個點的淺層平板載荷試驗，載荷板面積1.0 m2。3個點的地基承載力達到1 000 kPa時地基均沒有破壞，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

為給地基基礎設計和結構設計反饋信息，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個監(jiān)測點，地基沉降變形見圖3。結果顯示建筑物平均累計沉降量為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，滿足設計規(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)測結果表明，設計采用加筋墊層地基方案運用到30層高層建筑物中是非常成功的。

5 結語

1)加筋墊層設計時應考慮筋帶選擇，筋帶層數(shù)、間距、密度、錨固長度，應力擴散角，墊層壓實效果等因素的影響。加筋墊層材料宜選用天然級配良好的砂卵石。

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，不用大型機械設備，施工質量容易控制。

4)根據(jù)實際應用案例檢測和監(jiān)測結果，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。