加筋复合垫层加固地基技术在选煤厂项目中的应用与研究

张宗军 李军庆 张淑民

鹤壁煤业（集团）有限责任公司（458030）

1 应用简要说明

加筋复合垫层加固地基技术就是在地基浅层沿水平方向分层铺设具有较高抗拉强度的筋材(如土工筋带、土工格栅、土工织物等合成材料)形成复合土体，从而增强土体的稳定性，减小沉降，提高地基承载力。

经过实践证明∶对于地基承载力要求小于250 kPa的建筑物，采用加筋复合垫层加固地基技术进行地基处理，与混凝土灌注桩、CFG桩、振密砂桩等复合地基相比，可节省地基处理费用30%～50%，而且施工工艺简便、工期短，具有良好的环保性和抗震性，社会效益、经济效益十分显著。

目前，加筋复合垫层加固地基技术已经逐步推广应用，该技术对保护环境、提高地基承载力及大幅度降低地基处理费用具有非常重要的现实意义。

2 应用背景

鹤煤投资公司福祥选煤厂项目是集团公司的重点工程,为早日发挥经济效益，项目建设要求“短、平、快”。在工程建设中，因为场地内建筑物基础所处的地基持力层为粉质粘土，地耐力仅为140 kPa，经结构计算设计地耐力为240 kPa，所以需要对原地基进行处理以满足设计地耐力要求。设计单位初期计划采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）或钢筋混凝土灌注桩。由于选煤厂项目要求工期紧，采用桩基施工周期长，费用高，因此我们提出应进行多个技术方案对比，找出满足工程实际要求的地基处理办法。

1）经过与专业桩基施工队伍联系了解施工周期和费用情况后,得知∶施工桩基周期一般为1～2个月,另外待混凝土凝固及养护28 d后还要进行桩的静载试验，整个周期约为3～4个月，并且桩基施工费用及桩的检测费用较高。

2）如采用强夯地基对现场周边原有生产、生活建筑物影响较大，实施过程中会带来一定的安全隐患。

3）加筋复合垫层加固地基，施工周期一般在一周左右，施工方法简便，易于操作，费用投入也较低。

经过方案对比，采用了加筋复合垫层加固地基技术。福祥选煤厂项目中使用加筋复合垫层的单位工程有∶原煤缓冲仓；精煤仓（两连体仓）；主厂房及压滤车间；精煤、中煤、矸石仓。

3 加筋复合垫层加固地基的机理

加筋复合材料在软弱土的换填土中主要起加筋作用，由于筋带有远高于换填土的模量，在基底力作用下会产生拉应力，其向上的分量预应力将抵消一部分上部荷载，即提高了地基的承载力。换填土在加入筋带复合材料后，筋土接触面上的磨擦力使垫层的侧限作用和“粘聚”作用增强，从而整体性和刚度显著增大。

《地基处理与实例分析》资料表明∶加筋复合砂石垫层的应力传递扩散角由无筋时的20°增加为38°～40°；《地基基础理论与实践新进展》资料通过实验发现，当垫层厚度约为0.2 B～0.25 B（B为基础宽度），且加筋层数为一层时，加筋复合砂石垫层的应力扩散角可大致为23°～26°;而现行规范则建议当垫层厚度＜0.25B时，取应力扩散角θ=0°。

此外，加筋复合垫层属于柔性结构，能很好的吸收地震能量，故其抗震性能好。

4 地质概况

鹤煤投资公司福祥选煤厂地表绝对标高为+172.25 m，场内地层自上而下依次为∶

①素填土。层厚0.8～2.90 m，回填时间4年，主要填料为残积粘性土和混砖瓦石块,场地分布均匀；

②淤泥。呈饱和流塑状，主要由粘粒、粉粒组成，夹杂有有机质，该层层厚4.00～9.00 m；

③粉质粘土。呈饱和可塑状，手搓稍有粉粒感，粘性较好，标贯试验的校正平均值为10击，层位稳定，厚度为 4.80～9.55 m；

④含泥中粗砂。呈饱和密状，层厚0.7～4 m；

⑤沙质粘土。呈饱和可塑状，层厚0.5～3 m；

⑥中砂。饱和，含泥约10%～20%，均匀分布于场地，厚度约 2.10～7.60 m；

⑦残积粘性土。饱和，可塑，原为辉绿岩脉，长石矿物已全风化成土状，标贯试验校正平均值为17击，厚 2.70～6.70 m；

⑧散体强风化花岗岩，大部分长石类矿物已经风化呈土状，岩心手捻可散，厚度2.25～14.20 m；

⑨强风化花岗岩层；

⑩中风化花岗岩。

5 加筋复合垫层设计计算

5.1 加筋复合垫层强度计算

PU=CUNC+2Tsinθ/B+βTNq/R；

PU—加筋复合垫层强度（MPa）；

CU—原地基土的不排水剪切强度（MPa）；

NC、Nq—承载力系数 NC=5.3，Nq=1.4；

T—土工织物的抗拉强度（MPa）；

θ—基础边缘与土工织物倾斜角,取值10°～17°;

B—基础表面作用的荷载宽度(基础宽度)(m)；

β—地基形状系数，一般取0.5；

R—假设圆半径，一般取3 m；或软土层厚度的一半，但不超过5 m。

5.2 沉降变形计算

按现行《建筑地基基础规范》分层总和法计算出的沉降量为 sl（mm），沉降经验系数 ψs取 0.55，最终沉降量∶

5.3 下卧层地基承载力计算

Pz—软弱层顶面的附加压力（kPa）；

Pcz—软弱层顶面垫层的自重压力（kPa）；

fz—软弱层深度修正后的承载力设计值（kPa）。

软弱层顶面的附加应力PZ根据加筋在垫层中的作用按下列经验公式（2）计算∶

式中∶γ—复合垫层容重(kN/m3)；b—基础板宽度(m)；Z—复合垫层厚度(m)；k—加筋作用系数；p—设计基底压力(kPa)。

其中加筋作用系数k值根据土工织物综合影响系数mc。按下列公式计算确定∶

当软弱层厚度t≤3.0 m，且t/b≤0.2 m时，k值按公式（1）计算；当 t＞3.0 m 或 t/b＞0.2 时值按公式（2）计算。

土工织物综合影响系数mc按公式（5）计算∶

式中∶lidi—分别为基础横向土工织物筋带的长度与宽度（m）；Ljdj—分别为基础纵向土工织物筋带的长度与宽度（m）;N—土工织物筋层的层数；F—基础底面积m2。

5.4 加筋垫层结构示意图

5.5 加筋垫层设计要求

加筋砂石垫层厚2.0 m，共布设4层筋带。筋带采用TG复合加筋带，规格（厚×宽）为2.5 mm×5.0 mm，筋带按间距300 mm双向编制成网。沿垫层周边每层布置胞腔式砂石袋，每层筋带端头回折2.5～3 m。筋带铺设前要进行调直，不得出现扭曲、皱折、重叠等现象。

筋带接头采用搭接，搭接长度不少于1.5 m。筋带不得在日光下暴晒或长时间裸露。回填材料采用级配砂石。每层回填厚度300 mm，压实系数不小于0.96以上。

6 加筋复合垫层加固地基施工工艺

6.1 施工工艺

1）基坑挖至设计要求的垫层标高，经有关部门验槽后，在原土上面铺40 mm厚粗砂。

2）按照设计要求编织每层土工加筋带,间距300 mm，注意一个编字，即纵横两个方向的土工加筋带互相叠压，以增大其摩擦力。

3）将装好砂石的编织袋排列于基坑内四个周边，以压紧土工加筋带。

4）将加筋带两端分别绕编织袋回折，用3寸钉将回折端钉于地基上，将加筋带固定，回折长度不小于 2.5～3 m。

5）在加筋带上面虚铺级配砂石260 mm厚,要注意砂石的含水率，如含水率过大则将砂石翻松晾晒，含水率过小则需洒水湿润，以保证级配砂石能够压实到最大密度。

6）使用压路机从筋带中部开始碾压，按顺序碾压至筋带尾部，根据实际经验和试验，碾压5～6遍为宜，压实后的级配砂石厚度约为200 mm，基坑四周和集水坑周围压路机不易压实的地方，用蛙式打夯机夯实。

7）请有关部门测定碎石碾压后的干密度。

8）干密度达到设计要求后按上述方法铺设第二层加筋带。

9）虚铺260 mm厚级配砂石，按上述方法压实。

10）最后在上部虚铺110 mm厚级配砂石，压实后标高达到设计要求。

6.2 施工注意事项

1）加筋带应有出厂试验报告及相应技术测定指标。

2）第一层筋带不得直接铺于原土上。

3）加筋带如需搭接，搭接长度＞1 500 mm，用3寸钉钉接。

4）铺摊级配砂石时要随时注意砂石级配是否均匀，是否符合要求，如不均匀一定要拌匀。

5）加筋带顶面以上填料，一次铺摊厚度不小于200 mm，以免压路机碾压时扰动下层筋带。

6）砂石填筑压实时，应随时检查其含水量是否满足压实要求。

7）压路机重量低于8 t，既便于出入基坑，又可防止扰动地基土。

8）碾压前应进行压实试验，以确定分层铺摊厚度和碾压遍数以便指导施工，压实后干密度要大于2.2 t／m3。

9）每层砂石料铺摊完毕应及时碾压。

10）压路机不允许直接碾压筋带，压实作业先从筋带中部开始，逐步碾压至筋带尾部，压路机不得在未经压实的填料上急剧改变运行方向和急刹车，以免扰动下层筋带。

11）不得使用羊足碾碾压。

7 加筋复合垫层施工的关键控制点

为达到加筋复合垫层的加固效果，必须对整体加筋复合垫层的施工工艺、施工质量进行严格控制∶

1）增加初期应力，且其端部应有可靠的锚固，以发挥土工织物的抗拉强度。锚固愈牢固，承载力提高愈多，地基中的应力分布愈均匀。土工织物端部的固定，靠端部折起铺设长度来保证，把端部折起包裹砂体，以增加其握裹力，保证使用期间不被拔出。

2）施工顺序对加筋效果有重大的影响。施工时应让土工织物尽早处于受拉状态，土工织物抗拉强度只有在变形时才得以发挥，所以施工时不得使土工织物发生折皱，要将土工织物尽可能拉平、拉紧。

3）为了使土工织物在受荷初期有足够的应变，在垫层施工时可按下列顺序∶铺土工织物——拉平拉紧两端，两端折起用包裹砂砾压紧并在两端填砂——中心填砂——两端砂增高——中心填砂。

按以上方法施工时可使土工织物尽早从原来形成波浪形被拉紧开来，使其在受荷初期发挥作用。

8 保证加筋复合垫层效果的要求

1）把材料入场关。施工前应取得检验部门出具的土工织物性能鉴定书，对进场砂石进行检验。

2）土工筋带应有一定的松紧度，但不得出现扭曲，皱折及重叠现象，端头处理严格施工图执行。

3）土工筋带搭接是关键，必须钉嵌牢固。

4）压实作业一定按照规定施工，不得扰动地基土和下层筋带。

9 沉降观测

沉降观测是验证加筋复合地基加固的一个重要指标,也是验证加固质量与效果的关键数据，施工单位一定要重视沉降观测点的设置与沉降量的观测，并收集、整理。在工程主体施工中要在建筑物的规定部位设置沉降观测点,并按规范要求进行观测，收集、整理及分析沉降情况。

鹤煤投资公司福祥选煤厂项目施工单位在工程施工中及竣工后分别按规定进行了观测，观测数据经分析，沉降量均符合规范要求。

10 总论

通过鹤煤投资公司福祥选煤厂项目工程实践，对加筋复合垫层加固地基技术应用总结如下∶

1）经检验，加筋复合垫层厚度Z与大板基础宽度b之比≤0.25时,具有一定的应力扩散作用，可满足粉土层地基上部重型建筑物对地基强度和变形的要求，可直接节约地基处理费用30%～50%，社会效益、经济效益十分显著，具有广泛的应用前景。

2）土工织物（筋带）综合影响系数mc对复合垫层整体性起关键作用，mc值宜为2～8。鉴于大板基础边缘存在超应力,该部位土工筋带应适当加密，但筋层不应直接置于软弱层顶面。

3）加筋复合垫层加固技术的应用为我们今后处理类似地基提供了可靠案例，并积累了可借鉴的施工经验及关键技术点。

4）该技术的应用在选煤厂建设中产生了可观的经济效益,与采用桩基相比项目可节省投资50余万元；缩短工期约2个多月，圆满的按集团公司要求的期限完成。该项目的提前投产，可为福祥选煤厂创造直接经济效益约6 000万元（按照原煤与精煤差价500元计算）,受到建设单位和集团公司领导的好评。

5）加筋复合垫层加固地基技术在地基加固中的应用尚处于探索和研究阶段，目前对加筋垫层的受力及筋土界面的作用机理仍需进一步研究，虽然采用该技术取得了成功,但用于实际工程仍需慎重。

6）加筋复合垫层加固软土地基是一种行之有效的、经济合理、安全可靠、简单易行的方法，但目前定性的、经验的成分较多，尚缺乏严谨的理论计算公式、可靠充分的测试数据来支撑，还有待于在今后的实际应用中进一步总结和探索。