土工带加筋砂石垫层研究与有限元分析

牛长年

摘 要：根据土工加筋带性能的特点，以某学院砂石地基为例，进行地基承载力试验，检测整个砂石加筋垫层地基的可靠性和稳定性。运用PATRAN有限元软件，对在不同铺设层数和不同铺设密度下的加筋带软土地基进行计算、分析，确定适合的铺设方式，从而为土工加筋带处理软土地基提供参考。

关键词：软土地基；加筋带；承载力；有限元分析

中图分类号：TU740 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0071-02

随着我国建筑行业的不断发展，软土地基建设高层住宅也逐渐增多。由于软土具有低强度、高压缩性和低渗透性等特点，所以，需要对软基进行处理才能使其满足一定的承载能力。实践证明，在软土层不厚的情况下，土工合成材料加筋砂石垫层处理软地基是一种既简单又经济的处理方法。

以某学院专升本新校区学生公寓为例，通过地基承载力试验，检测整个砂石加筋垫层地基的可靠性和稳定性。此外，结合本加筋地基的实际情况，运用PATRAN/NASTRAN有限元软件对整个加筋地基建立有限元模型，按照工程实际的受力情况，对整个加筋地基有限元模型分析、计算，得出无加筋垫层、一层加筋垫层和二层加筋垫层地基应力和应变状况。

1 软土

在我国，软土分布十分广泛，滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围和山涧谷地等都有分布。由于软土具有强度低、压缩性高和透水性差等特点，被大量应用于工程建设中，比如机场、码头、公路和铁路等。软土的天然含水量W大于液限WL，天然孔隙比e>1；软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，当天然孔隙比e>1.5时为淤泥，当天然空隙比1

2 塑料土工格栅加筋土

土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层之间，发挥加强或保护土体的作用。它具有质地柔软、重量轻、连续性好、抗拉强度高、耐腐蚀性、抗微生物侵蚀性、防渗性强和施工简便等特性，目前已被广泛应用于水利、电力、公路、铁路、建筑、海港、采矿和军工等领域。

加筋土结构中筋带与土之间的相互作用原理即摩擦加筋原理和准黏聚力原理。

3 工程实例

以某学院专升本新校区1#，2#，3#学生公寓楼为例，该工程的建筑面积为27 725.1 m2，属于通廊式公寓楼，地上6层，地下1层（设备管道层）。地基宽22.5 m，长103.4 m；地基的厚度总共为2 m，其中包括0.5 m厚胞腔袋和1.5 m厚的砂石垫层。

3.1 地基垫层施工工艺

地基垫层施工工艺包括以下几方面：①材料拌和。用装载机将河卵石和毛砂按3∶7的比例均匀拌和，并清除拌和物中的夹杂物。②放置胞腔袋。将拌好的砂石装至结实的编织袋，装至袋子2/3方可，并用封口机缝严，丁顺相间，压实平放。共铺设两层胞腔袋，且每满铺一层后，用毛砂将胞腔袋之间的缝隙填满。③铺设砂石垫层。铺筑砂石每层的厚度一般为15～35 cm，分层厚度可用样桩控制。④夯实或碾压。每层采用压路机往复碾压，一般碾压不少于4次，其轮距搭接≥50 cm。边缘和转角处应该用人工或蛙式打夯机补夯密实，压实系数>0.95. ⑤洒水。为了保证砂石垫层之间的黏结性，适当地在垫层表面洒水，保持砂石的最佳含水量，一般控制在8%～l2%之间。⑥找平和验收。施工时应分层找平，夯压密实，下层密实度合格后，方可进行上层施工。⑦重复以上做法，共铺设5层砂石垫层，最后一层压（夯）完成后，表面应拉线找平，并且要符合设计规定的标高。⑧本工程地基在第2，4砂石垫层表面处需铺加筋层，加筋带采用TG5025型，中心间距500 mm，双向布置，铺设筋带时先纵向再横向，应顺平、拉紧、平铺，避免折扭。筋带的连接通常用搭接法，最小搭接长度≥1 m，连接强度不低于原筋材料强度。纵横筋带交接处采用铁钉钉接法固定，铁钉使用前应进行防锈处理。边缘处筋带反包回折压入垫层，回折长度3 m，边缘回折处用胞腔袋压实，反包回折的端部应先设置土工编织袋，然后再回折。铺设加筋带时，应平顺、拉紧、铺平，避免长时间暴晒或暴露，并将筋带及时定位或重压。

3.2 地基承载力试验

为了测算本地基的沉降量，共取3个试验点，通过地基承载力试验确定其沉降量。

3.2.1 试验方法

加筋采用慢速维持载荷法，即逐级加载，每级载荷达到相对稳定后，再施加下一级载荷，直至试验限定的最大加载值。本次试验最大荷载值为264 kPa，每级加载值为最大加荷值的1/11.

3.2.2 观测方法

每级加载完成后，间隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，测记一次承压板沉降量，以后每隔30 min读一次。

当在连续2 h内，每小时的沉降量都<0.1 mm时，则认为该级载荷已趋于稳定，可加载下一级荷载。

当出现以下三种情况之一时，即可终止加载，且将其对应的前一级荷载定位极限荷载：①承压板周围的土明显地侧向挤出；②沉降量S急剧增大，荷载—沉降（P-S）曲线出现陡降段；③在某一级荷载下，24 h内沉降速率不能达到稳定。

3.2.3 数据整理

根据试验记录可知1，2，3号点的地基承载力沉降值，具体数据如表1所示。

3.2.4 承载力特征值

当最终加荷值达到264 kPa时，该级荷载作用下承压板沉降达到相对稳定标准后，累计沉降，其中S1点沉降5.76 mm，S2点沉降5.62 mm，S3点沉降7.25 mm；卸载后残余沉降量为S1点4.35 mm，S2点4.23 mm，S3点5.87 mm；该点P-S曲线呈缓变形，特征点不明显，无明显陡降段，最终沉降量尚未达到0.01 mm。依据《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2011附录C综合分析考虑，取最大加载值的1/2——132 kPa作为该点的垫层承载力特征值。

4 MSC.PATRAN/Nastran有限元分析模块的应用

由于加筋材料在软土地基方面的应用越来越广泛，同时加筋材料的性能和铺设方式直接影响着地基的使用，因此从铺设工艺的角度设计出适合软土地基加筋带的铺设方式至关重要。

通过对无砂垫层、一层土工格栅加筋砂垫层和两层土工格栅加筋砂垫层三种不同的砂石地基进行有限元分析，了解塑料土工格栅加筋堤的加筋机理和效果。选取的垫层模型为长度5 m、宽度2 m、厚度为1.5 m的双层砂石加筋垫层，采用六面体单元对其进行分析，并施加垂直于板面大小为120 kPa的面压力，实体的两端边界采取刚性固定。此外，运用MSC.Nastran有限元软件，分别对砂石垫层在无加筋、一层加筋和二层加筋三种状况下的应力和竖向沉降位移进行有限元计算，加筋带铺设的间距和两层筋带的间距都为0.5 m。

5 结束语

结合PATRAN有限元分析，对有加筋、无筋复合地基进行比较。可知，在相同荷载120 kPa作用下，加筋复合地基的沉降和应力都明显减小，其承载力有明显提高，从而证明了加筋垫层的可靠性和适用性。

用有限元法分析加筋砂石垫层加固软地基，不仅可以模拟土工格栅筋材和土体之间的相互作用，建立较准确的土体本构模型，计算出软土地基内任一点的位移和应力，反映位移和应力的分布规律；还可以对不同的地基情况、不同的加筋材料和不同的接触面条件分别考虑，这些都是传统的极限平衡法所不及的。

参考文献

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[4]刘兵山，黄聪.Patran从入门到精通[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

〔编辑：李珏〕

Abstract： Based on the characteristics of geotechnical reinforcement with performance， with a college sand foundation as an example， carries on the foundation bearing capacity test， testing the whole sand reinforced cushion the reliability and stability of the foundation. PATRAN finite element software were used to laid in different layer and different paving density of soft soil foundation reinforcement with calculation， analysis， determine suitable for laying way， thus for geotechnical reinforcement with dealing with soft soil foundation.

Key words： soft soil foundation； reinforcement； bearing capacity； finite element analysis