高层建筑加筋砂石垫层地基处理设计分析

2019-10-14杨志强

山西建筑 2019年17期

杨志强

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司平顶山分公司，河南平顶山 467002)

0 引言

近年来，加筋垫层在高层建筑地基处理中被迅速推广和采用。其承载力和应力扩散角优势相对于其他垫层大幅增加，但在加筋垫层的工程设计实践过程中，发现了一系列的问题，其成熟应用仍需进一步完善和提高。在加筋垫层地基处理设计时，由于缺乏成熟的理论依据，往往依靠自身设计经验，设计过于保守。

1 加筋砂石垫层地基处理原理

施工过程中筋带与压实砂石紧密接触，上部结构荷载作用下，充分发挥加筋垫层中土工复合筋带的高抗拉强度，从而抵消部分上部结构荷载，同时又将剩余荷载均匀传导至下部地基土中，且加筋垫层在基底压力作用下产生变形，筋带与砂石之间的相对位移使两者界面产生摩擦力，界面摩擦力使筋带产生拉力，拉力的方向指向基础的外侧并偏向上方，因此，拉力的向上分力起张力膜作用，直接平衡向下的附加应力，并且在上部荷载的作用下筋层界面上的土工复合筋带与砂石之间的摩阻力使得砂石侧向移动受到限制，从整体限制了加筋砂石垫层的剪切，侧向挤出及隆起，增强了土体的抗剪强度和抗弯刚度，进而提高和保证了加筋垫层的整体性和刚度，一定程度上有效地提高了地基承载力，减小了地基的变形和增大了地基稳定性[1]。另外加筋垫层在上部荷载作用下产生应力扩散，将荷载较均匀地分布到较大基底范围内，降低地基的不均匀沉降。

2 加筋垫层地基处理设计分析

影响加筋垫层作用效果的主要因素有筋材种类、布置型式、应力扩散效果以及垫层压实效果。设计时应结合实例从下列7个方面进行分析：

1)筋带选择。

加筋垫层中的土工复合筋带应具有抗拉强度高，受拉延伸率小，耐腐蚀和柔韧性好，界面摩擦性能好等特点。高层建筑越高，荷载越大，筋带抗拉强度应越大，摩擦性能应越好。设计过程中应考虑不同型号筋带对抗拉强度发挥的影响作用，还可考虑通过增加筋带界面摩阻力来提高其抗拉强度的发挥，从而提高加筋效果。

2)筋带层间距。

筋带受力与筋带层间距密切相关。若首层加筋间距小，加荷过程中，筋带前期就受到较大应力，后期筋带应力上升不太明显；若首层加筋间距大，加荷后期筋带作用明显，筋带应力突然陡增；首层筋带设置居中者，筋带应力在整个加荷过程中增长缓慢，受力均匀。设计时通常首层筋带间距宜取垫层厚度的25%～30%，下部筋带层间距宜取垫层厚度的20%～25%，且不应小于300 mm。垫层厚度大的取小值，垫层厚度小的取大值。垫层下部筋带层间距应比垫层上部筋带层间距小，有利于筋带受力均衡。

3)筋带层数。

对于一层筋带的垫层，其压力扩散角变动范围为34°～38°，对于二层筋带的垫层，其压力扩散角变动范围为40°～44°[2]，试验表明垫层内铺设2层筋带比铺设1层筋带压力扩散角提高显著。当筋带层数增加到3层时，应力扩散角变化较小，此时加筋垫层层数的变化对应力扩散角几乎没有影响。设计时垫层厚度小于1.8 m时可设置2层筋带，垫层厚度大于1.8 m时可设置3层或3层以上筋带。

4)筋带密度。

在一定范围内筋带铺设线密度越大，加筋砂石垫层的应力扩散效果越明显，通常加筋线密度取0.15～0.35。载荷越大，线密度取大值，载荷越小，线密度取小值。

5)筋带锚固段长度。

由于在建筑物荷载作用下，加筋垫层发生应力重分布，边缘荷载相对于中间大，故垫层边缘的筋带应有足够的锚固长度，高层建筑荷载越大，筋带受到的拉力也越大，若锚固段筋带与土体的接触面积小，锚固力就小，则会导致因锚固力不足而发生筋带拔出破坏。通常锚固长度不小于2.5 m，且最好宜回折伸入至基础下面一定长度[3]。

6)应力扩散角。

在双层加筋中，筋带层间距的变化对垫层应力扩散角的影响不显著，但筋带的层数对应力扩散角的影响较显著，不同的筋带材料对加筋垫层的应力扩散角影响较显著。对于设置一层筋带的加筋垫层，应力扩散角宜取26°，设置两层及以上筋带时，应力扩散角宜取35°。

7)垫层压实效果。

当加筋垫层压实度达不到要求时，荷载作用下筋带早期受到的拉应力很小，筋带发挥作用不明显。随着荷载的加大，局部位置筋带受力会陡然增大，容易导致地基失稳破坏。故设计施工时砂石垫层压实效果应达到密实状态，压实系数λc≥0.96。

3 加筋垫层地基处理设计案例

平顶山某小区建筑物最高达30层，地下1层，高层建筑采用剪力墙结构，筏板基础，基础底面平均压力标准组合值为415 kPa。建筑物筏板基础埋深在自然地面下4.80 m，基础持力层为④层粉质粘土。由于建筑物较高，荷载较大，天然地基承载力不满足设计要求，采用加筋砂石垫层地基处理方案。

3.1 加筋垫层地基方案设计参数

地基土的厚度h、承载力特征值fak、压缩模量Es如表1所示。

表1 地基土设计参数一览表

3.2 加筋垫层地基处理设计

加筋砂石垫层设计总厚度2.8 m，共设置5层筋带，首层筋带距垫层顶面的距离为0.6 m，其他各层筋带之间的距离从上至下分别为0.5 m,0.5 m,0.4 m,0.4 m，底层填料为0.4 m。如图1所示为加筋砂石垫层结构示意图。加筋砂石垫层设计要求如下：

1)筋带采用SBJD/GF塑玻土工复合筋带，规格为2.5 mm×50 mm，抗拉强度Tu≥120 MPa，伸长率δ≤3%，似摩擦系数fs≥0.5，土工复合筋带应具有较高的抗拉强度和较低的延伸率，筋带表面具有粗花纹，界面摩擦性能高。

2)筋带采用双向方格网状铺设。各层筋带水平间距为333 mm。

3)筋带的两端头采用回折锚固。基础边筋带应反包回折压入垫层，端头反包回折不小于3.0 m。

4)回填材料采用级配良好天然砂卵石，分层压实厚度根据筋带层间距取200 mm～300 mm，压实系数不小于0.97。卵石不会对土工复合筋带造成损伤，且平顶山地区沙河和汝河沿线均分布有大量天然砂卵石资源，取材便利，价格便宜。

加筋垫层施工工艺简单容易操作，不受场地环境限制，不用大型机械设备，施工质量容易控制。如图2所示为加筋垫层施工图。

4 加筋垫层地基检测和监测

4.1 地基承载力检测

为了检验地基的强度和稳定性，本工程在加筋垫层施工完成后随机进行了3个点的浅层平板载荷试验，载荷板面积1.0 m2。3个点的地基承载力达到1 000 kPa时地基均没有破坏，平均沉降为6.21 mm。表明采用加筋砂卵石垫层地基方案后地基稳定，而且对于30层高层建筑地基承载力还有较大富余量。

4.2 地基沉降变形监测

为给地基基础设计和结构设计反馈信息，从工程开工到工程竣工沉降变形稳定阶段，不间断观测高程建筑各部位的沉降变形。沿建筑物周围共布置8个监测点，地基沉降变形见图3。结果显示建筑物平均累计沉降量为26.4 mm，最大沉降量为29.2 mm，最小沉降量为23.6 mm，沉降倾斜为0.000 25，满足设计规范要求[4]。表明采用加筋砂卵石垫层地基方案后，地基沉降变形较小，沉降很均匀。

检测和监测结果表明，设计采用加筋垫层地基方案运用到30层高层建筑物中是非常成功的。