加筋地基研究进展综述

■邹 桐 ■中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032

1 引言

工程实际中，部分天然土体因含水量低、流动性大以及颗粒间粘聚力低等原因而使得地基承载力较低，为了建筑物的正常使用，需要对地基进行加固和处理。加筋地基就是在基础下的一定深度范围土体内铺设适当的抗拉材料，从而改善软弱地基受力性能的一种方法。对加筋地基的相关研究表明，加筋能扩散土体中的应力和限制土体侧向位移，从而明显地提高地基的承载力和减小地基沉降，因此在工程界中应用广泛。本文综述了加筋地基的试验研究、加固机理、破坏模式等几个方面的研究成果，分析了现有加筋地基试验的难点问题以及研究成果中的不足，展望了加筋地基应用的发展趋势。

2 加筋方式

加筋地基主要通过不同材料、不同形式的筋材，通过有机的布置实现提高地基承载力的作用。目前关于地基加筋方式的研究主要集中在筋材形式和布筋位置两个方面。

(1)筋材形式。目前，常用的加筋材料按几何形状可分为:一维水平竖向的纤维或条带、二维的土工格栅和织物以及三维的土工格室等。水平加筋在加筋地基中研究甚广。Binquet 和Lee 首次试验证明了加筋地基的有效性，Yamanouchi 通过在软土中分层铺设土工网开创性地研究了加筋对地基承载力的影响，Khing 等众多学者都就布筋方式对加筋地基的影响展开了研究，Gabr 众多学者对加筋地基的加固机理和破坏模式进行了研究并提出了地基承载力计算公式。然而，由于在地基中加水平筋必须把地基土全部挖除，因此该种加筋地基只适用于新建建筑物而无法对已有建筑物的地基进行加固。

基于对土体施加侧限可以改变土体破坏性状的认识，竖向加筋的概念应用而生。Basset 等首次探讨了非水平向加筋的可能。Verma 从加固已有危险建筑物地基的角度出发，展开了一系列竖向加筋地基的模型试验研究，实验结果表明，竖筋加筋范围和加筋体间距对地基承载力具有较大地影响，竖筋布置得当的话，能较好地加固危险建筑物的地基。总体说来，竖向加筋地基具有不大开挖方面的优势，但对竖向加筋地基的研究目前还处于起步阶段，因此还需要更深入地研究，才可能使得竖向加筋在工程实际中普遍应用。

结合水平向加筋和竖向加筋的优缺点，一些学者建立了立体加筋的构想。谢文东［63］提出了“加筋环”的新型加筋形式。Lawton 等提出了一种“正交哑铃”式多方向的土工合成材料的加筋方式;张孟喜提出了集水平、竖向为一体的水平-竖向组合立体加筋方式(H -V 加筋)，形成一种空间的三维加筋体系，并通过一系列试验初步证明了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应力、均化应力分布、提高承载力、减少侧向位移并降低竖向沉降，筋材作用的发挥与其本身的形式和变形有关，加筋效果与加筋率成正比。

(2)布筋方式。目前水平加筋布筋方式对加筋效果的研究甚广，主要参数包括加筋长度l、加筋层间距z、加筋总深度d、首层加筋深度u和加筋层数N 等(示意如图1所示)。

图1 筋材布置示意图

自Binquet 和Lee 首次研究条形基础下的加筋地基以来，众多学者都对水平加筋地基的布筋方式展开了不懈的努力。Shin 认为加筋层的最大有效深度为2B、加筋地基承载力随基础埋深以及加筋层数的增加而增加。Yetimoglu 等人对矩形基础下的加筋砂土地基研究表明:首层加筋深度的最优值在0.3B 附近;层间间距的最优值和加筋层数有关，其值介于0.2B 到0.4B 之间;加筋总深度的最大值为1.5B;Omar 的研究认为地基承载力随基础宽度B 的增加而减小，当基础宽度超过130mm 时，加筋地基承载力趋近于一个常数。概括来说，加筋地基的加筋效果和筋材布置位置密切相关，主要结论有:(1)首层加筋深度和层间间距在0.3B 附近时加筋效果最好。(2)加筋的有效深度在2B 以内，超过2B 后加筋对地基承载力几乎没有提高。(3)加筋长度在5B-7B 附近时筋土之间的作用力较大，有助于提高加筋效果。(4)影响多层加筋地基的参数较多，当首层加筋深度和层间间距控制适当时，最优加筋层数在2 到4 层之间。(5)地基承载力随基础宽度B 的增加而减小，存在一个极值。

3 加固机理

Huang 和Tatsuoka 通过短加筋试验(如筋材长度与基础宽度相等)对地基进行了研究，认为加筋会在地基中产生“深基础效应”，也就是说，在基础下的加筋相当于增加了基础的埋置深度。Gabr 等人后来进一步的研究表明，加筋明显地增大了应力扩散角并减缓了应力扩散角衰减的速度，从而加深了破裂面的位置，延缓了破裂面的出现。王伟得到了加筋垫层在复合地基中形成了一个“自撑式的持力体系”的结论。概括对加筋地基加固机理的研究成果，加筋地基的加固机理可以归纳为以下三个方面:

(1)隔离作用。筋材相当于一个刚性边界，破坏发生在加筋层上部。筋材起到扩散和均化应力，改变地基的应力场和应变场，进而提高地基承载力和减小地基沉降的作用。筋材离基础底面较远，刚度较大时，隔离作用明显。

(2)膜效应。随着加筋地基上部荷载的增大，基础和基础下的砂土一起发生沉降，基础下的筋材在荷载作用下因自身刚度产生向上的作用力，约束基础下砂土的沉降，基础外的筋材呈现为反向曲线产生了一个向下的压力，约束基础两侧地基土的隆起，这些作用的重叠和交叉在加筋平面类似于一张张紧的薄膜约束了基土的整体变形，限制了地基的塑性流动。筋材的膜效应只有在地基具有较大沉降、筋材具有足够长度和刚度的情况下才会产生。筋材柔韧性越好，荷载越大，筋材的膜效应越明显。

(3)侧向变形的约束作用。上部荷载作用下筋土间产生相对滑移，使得筋土表面产生摩擦力，这些摩擦力限制了地基土体的侧向变形、改变了破裂面产生的位置和形状，使得破裂面位置加深，从而提高了地基承载力并调整了不均匀沉降。地基变形较大、筋材较长时，筋材的侧向变形约束作用越明显。

4 破坏模式

Binquet 和Lee 首次研究了条形基础下设置水平向加筋垫层提高地基承载力和改善地基变形特性的效果及规律，认为加筋地基的破坏模式和筋材的布置位置密切相关，根据布筋位置的不同，加筋地基的破坏模式在土体的剪切破坏、筋材的挤出破坏和筋材的拉伸破坏三种破坏模式间转换，筋材的破坏主要在基础边缘边缘或靠近中心处，而不是在经典的滑移面上。Huang 和Tatsuoka 认为根据筋材的长度、刚度、加筋间距和疏密程度等，加筋地基会出现加筋区以下土体的破坏和加筋区本身的破坏两种破坏模式。王钊认为筋材的破坏发生在基础边缘下方筋材与压力扩散线的交点上，可以应用抗拉断和抗拔出极限状态推导加筋地基增加的极限承载力和筋材长度的设计公式。

5 展望

(1)加筋方式。加筋地基的变形与承载力特性与筋材的形式密切相关，目前对水平加筋的研究较多，但对其它加筋形式如水平加筋的包裹形式、竖向加筋及立体加筋等还缺乏详尽而系统地研究。因此，对其他加筋形式深入地研究对于加筋地基具有重要的工程应用价值和参考意义。

(2)加固机理。对于加筋土结构的加筋基理虽然学者们进行了广泛的研究，但大多局限于土与加筋体的相互作用，而在实际工程中，不同边界条件、不同形式荷载对加筋地基的影响同样值得探讨。

(3)破坏模式。由于加筋地基破坏形式的复杂性，目前对加筋地基的破坏模式和破裂面的发展过程还知之甚少。因此，如何结合图像辨别展开对加筋地基破坏模式和破裂面发展过程的研究，对于提高对加筋地基的认识水平具有重要意义。

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