加筋褥垫层在灰土挤密桩复合地基中的应用

王晶仁，葛忻声，白晓红，袁 慧，张宇龙，张 军

(1.太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024；2.太原龙城发展投资有限公司，太原 030002；3.山西建筑工程总公司，太原 030000；4.山西省交通科学研究院，太原 030006)

复合地基通常有水平增强体型和竖向增强体型两种基本形式，一般为单一型复合地基。在实际工程中考虑复杂的工程地质条件和经济因素，采用其中一种形式不能满足强度或沉降要求时，可采用水平增强体和竖直增强体联合的复合地基形式。水平加筋竖向增强复合地基利用柔性桩-土工格栅-土协同工作，共同承担上部结构荷载，充分调动三者的力学特性，控制工后沉降、稳定性高、工期短，且经济效果好。水平加筋竖向增强复合地基在建筑、公路、铁路等领域已逐渐推广和应用，但其工作机理较为复杂，影响因素较多，理论研究远落后于工程实践。尤其是在建筑复合地基中的应用方面的理论研究更少，在一定程度上限制了其推广和应用，因此对水平加筋竖向增强复合地基的工作机理、沉降变形的研究显得更为迫切。

土工格栅能提高土体抗剪强度及稳定性并改善其变形性能，因具有质量轻、造价低、强度高等优点被广泛应用于路基处理、支档结构、边坡加固、建筑地基等工程中。以高分子材料为主要原料的塑料土工格栅在工程中应用最为广泛。

在条形基础下的柔性复合地基中增加加筋褥垫层，可以达到增强复合地基加固效果的目的。加筋褥垫层调整了桩土间荷载的分担比例，从而调整了桩土差异沉降。但这方面的现场试验研究较少，尤其是刚性基础下三向土工格栅加筋在灰土挤密桩复合地基的现场研究还较少。

本文在太原东山五层框架结构宿舍楼工程施工项目开展现场试验，针对建筑基础下灰土桩作为竖向增强体，三向土工格栅为水平加筋材料，研究刚性基础下柔性竖向增强体水平加筋复合地基中三向土工格栅的蠕变特性，分析了三向土工格栅加筋褥垫层对桩土差异沉降、桩土应力比的影响，为相关设计和施工提供参考依据。

1 现场试验概况

本次现场试验以太原市东山宿舍楼工程为依托，建筑面积11 676 m2，地上5层，地下1层，建筑高度26.7 m，室内外高差0.60 m，基础形式为条形基础+防水板。埋深7.30 m，主体结构形式为框架结构，主要承重构件混凝土强度等级为C30.地基处理采用孔径为400 mm，间距900 mm的灰土挤密桩，桩布设范围超出基础外边线2 m.桩顶标高为-7.47 m，在桩顶上部基础垫层底下部，换填0.5 m的3∶7灰土褥垫层，每边超出基础承台外边2 m，压实系数大于0.97，换填后地基土承载力不应小于180 kPa.

根据地勘报告判断，本楼基底下无杂填土，只有湿陷性黄土。场地土为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级(中等)。拟建场地类别为Ⅲ类。本次勘探深度范围内未揭露地下水。标准冻结深度为0.740 m.现场试验场地的地层分布情况见表1.

表1 地基土主要物理力学指标Table 1 Main physical and mechanical indexes of foundation soil

2 试验方案

褥垫层在复合地基中起着重要的作用，因此在现场进行试验。本次现场试验主要是通过对桩土应力、桩土沉降差异以及地基表面的水平位移等测量来反映褥垫层性质改变所带来的影响。在距褥垫层顶面250 mm处设置三向土工格栅，在3个不同的位置设置测量仪器，通过埋设土压力盒、垂直位移计、柔性位移计的方式对桩土荷载分担、桩土差异沉降、格栅变形情况进行测量。

2.1 灰土挤密桩的布设

选用灰土挤密桩的桩身直径为400 mm，桩距0.9 m，梅花型布置，有效桩长5.0 m.桩孔内分层回填三七灰土，灰土的平均压实系数不应低于0.97.据地勘报告判断，本建筑基底部无杂填土,只有湿陷性黄土。场地土为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅱ级(中等)。由于基础落在第3层湿陷性粉土层上，不能满足上部结构的要求，故地基需进行处理，主楼采用灰土挤密桩法，桩长范围全部消除湿陷。

2.2 土压力盒的布设

在有效桩顶标高876.48(-7.97 m)，埋设了3组，每组7个土压力盒，桩顶3个，桩间土4个，取其平均值分别作为作用于桩顶和桩间土的荷载。试验结果中桩土应力比为平均桩顶土压力与平均桩间土压力之比。第一组埋设于条形荷载的空隙处，第二组埋设于框架柱、条形基础下，第三组埋设于条形基础及柱下边缘处。土压力盒布置见图1.

图1 土压力盒布置图Fig.1 Arrangement of soil pressure cell

2.3 柔性位移计的布设

褥垫层换填3∶7灰土250 mm，采用压路机压实后，铺设三向土工格栅。本次试验采用三向土工格栅为加筋材料。三向土工格栅是以聚丙烯为原材料，在生产过程中从纵向、横向和斜向三个方向拉伸形成以等边三角形网孔组成的整体网片结构。与单向土工格栅、双向土工格栅相比，三向土工格栅的小网目结构，对填料的约束和嵌锁作用得到提高。本次现场试验选用的是由坦萨土工合成材料(中国)有限公司生产的Tensar TriAx TX160型三向土工格栅。肋条中距为40 mm，节点厚度为3 mm，肋条截面形状为矩形，网孔形状为三角形。2%伸长率时的拉伸模量为245 kN/m，拉伸强度为4.90 kN/m.

在格栅上布设3组，每组分别在横向、纵向、斜向布设3个柔性位移计，用来量测三向土工格栅在三个方向上受长期荷载下的变形。

3 试验结果与分析

经过现场2016年6个月的监测，得到了刚性基础下加筋褥垫层灰土挤密桩复合地基桩土应力过程线、格栅应变过程线等结论。工程进度表如表2.

表2 工程建设进度时间表Table 2 Schedule of construction progress

3.1 桩顶、桩间土应力试验结果与分析

图2，3，4分别为第一、二、三组土压力盒测得的桩顶应力、桩间土应力随施工日期的变化线。从图2中可以看出，位于防水板中心处的第一组土压力数据随着建设工期的延长，荷载的增加，呈现出桩顶应力逐渐增加，早期桩顶应力增长较快，而后期桩间土应力增长较快的特征。在2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第一组桩顶应力和桩间土应力值分别为104.67 kPa和86.00 kPa.

第二组土压力盒的布设位于框架柱下方，处于条形基础交接处的中心。从图3中可以看出，第二组桩顶应力和桩间土应力的变化过程线有明显不同的趋势。桩顶应力随建设工期的推进基本呈现直线上升的趋势，增加较快，在2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第二组桩顶应力475.67 kPa.与桩顶应力变化趋势相比，桩间土随施工日期的变化过程线相对平缓，在五层顶板混凝土施工完毕时，第二组桩间土应力为90.25 kPa.

图2 第一组桩土应力变化过程线Fig.2 Development of pile and soil in the first set

图3 第二组桩土应力变化过程线Fig.3 Development of pile and soil in the second set

图4 第三组桩土应力变化过程线Fig.4 Development of pile and soil in the third set

第三组土压力盒的布设位于条形基础交接处的边缘。从图4中可以看出，在加载初期，第三组桩顶应力和桩间土应力的变化过程线有相似的变化趋势。后期桩顶应力随建设工期的推进增加较快，在2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第三组桩顶应力229.27 kPa.桩间土后期随施工日期的变化过程线相对平缓，在五层顶板混凝土施工完毕时，第三组桩间土应力为197.00 kPa.

图5中的三条曲线分别为第一、二、三组土压力盒测得的桩土应力比变化过程线。从图5中可以看出，第二组桩土应力比最大，第一组桩土应力比次之，而第三组桩土应力比最小。第二组桩土应力比在早期和后期都呈现出了快速上升的趋势，在2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第二组的桩土应力比达到5.27.第一组桩土应力比随日期的延长呈现平缓的先增加后减小的趋势，2016年9月1日垫层、防水、防水保护层施工完毕时，桩土应力比为1.70，2016年9月10日条形基础、防水板、地梁混凝土施工完毕，桩土应力比升高到1.75，随后逐渐减小，到2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，桩土应力比降低至1.22.第三组土压力盒的桩土应力比变化过程线呈平缓增大的趋势，2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，桩土应力比为1.17.

图5 各组桩土应力比变化过程线Fig.5 Development of pile and soil in the each set

不同位置的桩土应力比曲线呈现出较大的差别的原因是：柱下位置的复合地基应力集中，桩土应力比增长最快，数值也最大；防水板中心处的复合地基受力均匀，随着建筑施工进度的推移，荷载逐渐增加，桩土应力比有减小的趋势；条形基础及柱下边缘处由于条形基础将柱传下来的力均匀传递到复合地基，桩土应力比逐渐增长，趋于平稳，且数值最小。

3.2 土工格栅应变试验结果与分析

图6，7，8为通过柔性位移计测得的三向土工格栅应变变化过程线。三向土工格栅由3个方向的肋条共同承担拉力，因此试验中分别在3个布设土压力盒的位置布置了3组，每组3个柔性位移计，分别测量纵向、斜向、横向3个方向的三向土工格栅位移，通过测得的位移减去初始长度的差值与其初始长度的比值计算得到其应变值。

图6为第一组柔性位移计测得的三向土工格栅分别在纵向、斜向、横向三个方向的应变随时间的变化过程线。从图6中可以看出，在第一组柔性位移计数据中，三条曲线有相对接近的变化趋势，三向土工格栅在横向应变最大，增长最快，纵向次之，初期斜向应变最小，到后期超过纵向应变。2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第一组柔性位移计测得的数据计算得到的土工格栅在纵向、斜向、横向三个方向的应变分别为8.71%，9.88%，12.06%.

图7为第二组柔性位移计测得的三向土工格栅分别在纵向、斜向、横向3个方向的应变随时间的变化过程线。从图7中可以看出，第二组土工格栅在三个方向的应变随时间的变化过程线有明显的差别，三向土工格栅在斜向应变最大，增长最快，纵向次之，横向应变最小，且纵向与横向的应变较为接近。2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第二组柔性位移计测得的数据计算得到的土工格栅在纵向、斜向、横向三个方向的应变分别为26.3%，195.33%，22.27%.

图6 第一组格栅应变变化过程线Fig.6 Development of the strain of geogrid in the first set

图7 第二组柔性位移计应变变化过程线Fig.7 Development of the strain of geogrid in the second set

图8为第三组柔性位移计测得的三向土工格栅分别在纵向、斜向、横向三个方向的应变随时间的变化过程线。从图8中可以看出，第三组土工格栅横向应变最大，增长最快，纵向次之，斜向应变最小，且纵向与斜向的应变规律较为接近。2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，第二组柔性位移计测得的数据计算得到的土工格栅在纵向、斜向、横向三个方向的应变分别为20.21%，16.16%，33.64%.

图8 第三组柔性位移计应变变化过程线Fig.8 Development of the strain of geogrid in the third set

图9，10，11分别为三组柔性位移计测得的三向土工格栅在纵向、斜向、横向的应变变化曲线对比图。其中图9为各组土工格栅在纵向的应变变化过程线，从图9中可以看出第二组的纵向应变最大，第三组次之，第一组最小。2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，三组柔性位移计测得的三向土工格栅纵向应变值分别为8.71%，26.30%，20.21%.

图9 各组格栅纵向肋条应变对比图Fig.9 Contrast chart of the strain of the geogrid vertical rib in each set

图10为各组土工格栅在斜向的应变变化过程线，从图10中可以看出第二组的斜向应变最大，第三组次之，第一组最小。第一组和第三组的应变值变化趋势相近，2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，三组柔性位移计测得的三向土工格栅斜向应变值分别为9.88%，195.33%，16.16%.

图10 各组格栅斜向肋条应变对比图Fig.10 Contrast chart of the strain of the geogrid oblique rib in each set

图11为各组土工格栅在横向的应变变化过程线，从图11中可以看出第三组的斜向应变最大，第二组次之，第一组最小。2016年12月31日五层顶板混凝土施工完毕时，三组柔性位移计测得的三向土工格栅横向应变值分别为12.06%，22.27%，33.64%.

图11 各组格栅横向肋条应变对比图Fig.11 Contrast chart of the strain of the geogrid horizontal rib in each set

表3列出各组桩土沉降差及桩土应力比，不同位置的褥垫层桩土应力比、桩土沉降差比较大。柱下条形基础交叉处应力集中导致桩土沉降差较大。

4 结论

为了研究条性基础下灰土桩复合地基中加筋褥垫层的工作特性，结合太原东山框架结构宿舍楼，通过建设前埋设土压力盒、柔性位移计等试验设备，进行了现场试验，得出了建筑灰土挤密桩复合地基桩土应力比随建筑施工的变化过程线，及三向土工格栅的应变过程线，并分析了加筋褥垫层对桩土应力比的影响。通过对现场试验，得到以下结论：

表3 桩土沉降差及桩土应力比Table 3 Settlement difference and stress ratio of pile and soil

1) 建筑地基中，不同位置的桩土应力比差别较大；其中位于柱下、条形基础交叉中点处的桩土应力比最大，防水板中心处的桩土应力比最小。

2) 三向土工格栅受力能够在横向、斜向、纵向三个方向承受拉应力，以提高土体的抗剪强度，在建筑不同的位置三向土工格栅的应变差别较大。

3) 在同一个位置三个方向所受的拉力也有很大差异，其中位于柱下处的三向土工格栅应变最大，三个方向中斜向肋条所受的力最大。

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