王晶仁，葛忻聲，白曉紅，袁 慧，張宇龍，張 軍

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024；2.太原龍城發(fā)展投資有限公司，太原 030002；3.山西建筑工程總公司，太原 030000；4.山西省交通科學(xué)研究院，太原 030006)

復(fù)合地基通常有水平增強(qiáng)體型和豎向增強(qiáng)體型兩種基本形式，一般為單一型復(fù)合地基。在實際工程中考慮復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)因素，采用其中一種形式不能滿足強(qiáng)度或沉降要求時，可采用水平增強(qiáng)體和豎直增強(qiáng)體聯(lián)合的復(fù)合地基形式。水平加筋豎向增強(qiáng)復(fù)合地基利用柔性樁-土工格柵-土協(xié)同工作，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，充分調(diào)動三者的力學(xué)特性，控制工后沉降、穩(wěn)定性高、工期短，且經(jīng)濟(jì)效果好。水平加筋豎向增強(qiáng)復(fù)合地基在建筑、公路、鐵路等領(lǐng)域已逐漸推廣和應(yīng)用，但其工作機(jī)理較為復(fù)雜，影響因素較多，理論研究遠(yuǎn)落后于工程實踐。尤其是在建筑復(fù)合地基中的應(yīng)用方面的理論研究更少，在一定程度上限制了其推廣和應(yīng)用，因此對水平加筋豎向增強(qiáng)復(fù)合地基的工作機(jī)理、沉降變形的研究顯得更為迫切。

土工格柵能提高土體抗剪強(qiáng)度及穩(wěn)定性并改善其變形性能，因具有質(zhì)量輕、造價低、強(qiáng)度高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于路基處理、支檔結(jié)構(gòu)、邊坡加固、建筑地基等工程中。以高分子材料為主要原料的塑料土工格柵在工程中應(yīng)用最為廣泛。

在條形基礎(chǔ)下的柔性復(fù)合地基中增加加筋褥墊層，可以達(dá)到增強(qiáng)復(fù)合地基加固效果的目的。加筋褥墊層調(diào)整了樁土間荷載的分擔(dān)比例，從而調(diào)整了樁土差異沉降。但這方面的現(xiàn)場試驗研究較少，尤其是剛性基礎(chǔ)下三向土工格柵加筋在灰土擠密樁復(fù)合地基的現(xiàn)場研究還較少。

本文在太原東山五層框架結(jié)構(gòu)宿舍樓工程施工項目開展現(xiàn)場試驗，針對建筑基礎(chǔ)下灰土樁作為豎向增強(qiáng)體，三向土工格柵為水平加筋材料，研究剛性基礎(chǔ)下柔性豎向增強(qiáng)體水平加筋復(fù)合地基中三向土工格柵的蠕變特性，分析了三向土工格柵加筋褥墊層對樁土差異沉降、樁土應(yīng)力比的影響，為相關(guān)設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗概況

本次現(xiàn)場試驗以太原市東山宿舍樓工程為依托，建筑面積11 676 m2，地上5層，地下1層，建筑高度26.7 m，室內(nèi)外高差0.60 m，基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)+防水板。埋深7.30 m，主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，主要承重構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級為C30.地基處理采用孔徑為400 mm，間距900 mm的灰土擠密樁，樁布設(shè)范圍超出基礎(chǔ)外邊線2 m.樁頂標(biāo)高為-7.47 m，在樁頂上部基礎(chǔ)墊層底下部，換填0.5 m的3∶7灰土褥墊層，每邊超出基礎(chǔ)承臺外邊2 m，壓實系數(shù)大于0.97，換填后地基土承載力不應(yīng)小于180 kPa.

根據(jù)地勘報告判斷，本樓基底下無雜填土，只有濕陷性黃土。場地土為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅱ級(中等)。擬建場地類別為Ⅲ類。本次勘探深度范圍內(nèi)未揭露地下水。標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.740 m.現(xiàn)場試驗場地的地層分布情況見表1.

表1 地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical indexes of foundation soil

2 試驗方案

褥墊層在復(fù)合地基中起著重要的作用，因此在現(xiàn)場進(jìn)行試驗。本次現(xiàn)場試驗主要是通過對樁土應(yīng)力、樁土沉降差異以及地基表面的水平位移等測量來反映褥墊層性質(zhì)改變所帶來的影響。在距褥墊層頂面250 mm處設(shè)置三向土工格柵，在3個不同的位置設(shè)置測量儀器，通過埋設(shè)土壓力盒、垂直位移計、柔性位移計的方式對樁土荷載分擔(dān)、樁土差異沉降、格柵變形情況進(jìn)行測量。

2.1 灰土擠密樁的布設(shè)

選用灰土擠密樁的樁身直徑為400 mm，樁距0.9 m，梅花型布置，有效樁長5.0 m.樁孔內(nèi)分層回填三七灰土，灰土的平均壓實系數(shù)不應(yīng)低于0.97.據(jù)地勘報告判斷，本建筑基底部無雜填土,只有濕陷性黃土。場地土為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅱ級(中等)。由于基礎(chǔ)落在第3層濕陷性粉土層上，不能滿足上部結(jié)構(gòu)的要求，故地基需進(jìn)行處理，主樓采用灰土擠密樁法，樁長范圍全部消除濕陷。

2.2 土壓力盒的布設(shè)

在有效樁頂標(biāo)高876.48(-7.97 m)，埋設(shè)了3組，每組7個土壓力盒，樁頂3個，樁間土4個，取其平均值分別作為作用于樁頂和樁間土的荷載。試驗結(jié)果中樁土應(yīng)力比為平均樁頂土壓力與平均樁間土壓力之比。第一組埋設(shè)于條形荷載的空隙處，第二組埋設(shè)于框架柱、條形基礎(chǔ)下，第三組埋設(shè)于條形基礎(chǔ)及柱下邊緣處。土壓力盒布置見圖1.

圖1 土壓力盒布置圖Fig.1 Arrangement of soil pressure cell

2.3 柔性位移計的布設(shè)

褥墊層換填3∶7灰土250 mm，采用壓路機(jī)壓實后，鋪設(shè)三向土工格柵。本次試驗采用三向土工格柵為加筋材料。三向土工格柵是以聚丙烯為原材料，在生產(chǎn)過程中從縱向、橫向和斜向三個方向拉伸形成以等邊三角形網(wǎng)孔組成的整體網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。與單向土工格柵、雙向土工格柵相比，三向土工格柵的小網(wǎng)目結(jié)構(gòu)，對填料的約束和嵌鎖作用得到提高。本次現(xiàn)場試驗選用的是由坦薩土工合成材料(中國)有限公司生產(chǎn)的Tensar TriAx TX160型三向土工格柵。肋條中距為40 mm，節(jié)點厚度為3 mm，肋條截面形狀為矩形，網(wǎng)孔形狀為三角形。2%伸長率時的拉伸模量為245 kN/m，拉伸強(qiáng)度為4.90 kN/m.

在格柵上布設(shè)3組，每組分別在橫向、縱向、斜向布設(shè)3個柔性位移計，用來量測三向土工格柵在三個方向上受長期荷載下的變形。

3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過現(xiàn)場2016年6個月的監(jiān)測，得到了剛性基礎(chǔ)下加筋褥墊層灰土擠密樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力過程線、格柵應(yīng)變過程線等結(jié)論。工程進(jìn)度表如表2.

表2 工程建設(shè)進(jìn)度時間表Table 2 Schedule of construction progress

3.1 樁頂、樁間土應(yīng)力試驗結(jié)果與分析

圖2，3，4分別為第一、二、三組土壓力盒測得的樁頂應(yīng)力、樁間土應(yīng)力隨施工日期的變化線。從圖2中可以看出，位于防水板中心處的第一組土壓力數(shù)據(jù)隨著建設(shè)工期的延長，荷載的增加，呈現(xiàn)出樁頂應(yīng)力逐漸增加，早期樁頂應(yīng)力增長較快，而后期樁間土應(yīng)力增長較快的特征。在2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第一組樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力值分別為104.67 kPa和86.00 kPa.

第二組土壓力盒的布設(shè)位于框架柱下方，處于條形基礎(chǔ)交接處的中心。從圖3中可以看出，第二組樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力的變化過程線有明顯不同的趨勢。樁頂應(yīng)力隨建設(shè)工期的推進(jìn)基本呈現(xiàn)直線上升的趨勢，增加較快，在2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第二組樁頂應(yīng)力475.67 kPa.與樁頂應(yīng)力變化趨勢相比，樁間土隨施工日期的變化過程線相對平緩，在五層頂板混凝土施工完畢時，第二組樁間土應(yīng)力為90.25 kPa.

圖2 第一組樁土應(yīng)力變化過程線Fig.2 Development of pile and soil in the first set

圖3 第二組樁土應(yīng)力變化過程線Fig.3 Development of pile and soil in the second set

圖4 第三組樁土應(yīng)力變化過程線Fig.4 Development of pile and soil in the third set

第三組土壓力盒的布設(shè)位于條形基礎(chǔ)交接處的邊緣。從圖4中可以看出，在加載初期，第三組樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力的變化過程線有相似的變化趨勢。后期樁頂應(yīng)力隨建設(shè)工期的推進(jìn)增加較快，在2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第三組樁頂應(yīng)力229.27 kPa.樁間土后期隨施工日期的變化過程線相對平緩，在五層頂板混凝土施工完畢時，第三組樁間土應(yīng)力為197.00 kPa.

圖5中的三條曲線分別為第一、二、三組土壓力盒測得的樁土應(yīng)力比變化過程線。從圖5中可以看出，第二組樁土應(yīng)力比最大，第一組樁土應(yīng)力比次之，而第三組樁土應(yīng)力比最小。第二組樁土應(yīng)力比在早期和后期都呈現(xiàn)出了快速上升的趨勢，在2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第二組的樁土應(yīng)力比達(dá)到5.27.第一組樁土應(yīng)力比隨日期的延長呈現(xiàn)平緩的先增加后減小的趨勢，2016年9月1日墊層、防水、防水保護(hù)層施工完畢時，樁土應(yīng)力比為1.70，2016年9月10日條形基礎(chǔ)、防水板、地梁混凝土施工完畢，樁土應(yīng)力比升高到1.75，隨后逐漸減小，到2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，樁土應(yīng)力比降低至1.22.第三組土壓力盒的樁土應(yīng)力比變化過程線呈平緩增大的趨勢，2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，樁土應(yīng)力比為1.17.

圖5 各組樁土應(yīng)力比變化過程線Fig.5 Development of pile and soil in the each set

不同位置的樁土應(yīng)力比曲線呈現(xiàn)出較大的差別的原因是：柱下位置的復(fù)合地基應(yīng)力集中，樁土應(yīng)力比增長最快，數(shù)值也最大；防水板中心處的復(fù)合地基受力均勻，隨著建筑施工進(jìn)度的推移，荷載逐漸增加，樁土應(yīng)力比有減小的趨勢；條形基礎(chǔ)及柱下邊緣處由于條形基礎(chǔ)將柱傳下來的力均勻傳遞到復(fù)合地基，樁土應(yīng)力比逐漸增長，趨于平穩(wěn)，且數(shù)值最小。

3.2 土工格柵應(yīng)變試驗結(jié)果與分析

圖6，7，8為通過柔性位移計測得的三向土工格柵應(yīng)變變化過程線。三向土工格柵由3個方向的肋條共同承擔(dān)拉力，因此試驗中分別在3個布設(shè)土壓力盒的位置布置了3組，每組3個柔性位移計，分別測量縱向、斜向、橫向3個方向的三向土工格柵位移，通過測得的位移減去初始長度的差值與其初始長度的比值計算得到其應(yīng)變值。

圖6為第一組柔性位移計測得的三向土工格柵分別在縱向、斜向、橫向三個方向的應(yīng)變隨時間的變化過程線。從圖6中可以看出，在第一組柔性位移計數(shù)據(jù)中，三條曲線有相對接近的變化趨勢，三向土工格柵在橫向應(yīng)變最大，增長最快，縱向次之，初期斜向應(yīng)變最小，到后期超過縱向應(yīng)變。2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第一組柔性位移計測得的數(shù)據(jù)計算得到的土工格柵在縱向、斜向、橫向三個方向的應(yīng)變分別為8.71%，9.88%，12.06%.

圖7為第二組柔性位移計測得的三向土工格柵分別在縱向、斜向、橫向3個方向的應(yīng)變隨時間的變化過程線。從圖7中可以看出，第二組土工格柵在三個方向的應(yīng)變隨時間的變化過程線有明顯的差別，三向土工格柵在斜向應(yīng)變最大，增長最快，縱向次之，橫向應(yīng)變最小，且縱向與橫向的應(yīng)變較為接近。2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第二組柔性位移計測得的數(shù)據(jù)計算得到的土工格柵在縱向、斜向、橫向三個方向的應(yīng)變分別為26.3%，195.33%，22.27%.

圖6 第一組格柵應(yīng)變變化過程線Fig.6 Development of the strain of geogrid in the first set

圖7 第二組柔性位移計應(yīng)變變化過程線Fig.7 Development of the strain of geogrid in the second set

圖8為第三組柔性位移計測得的三向土工格柵分別在縱向、斜向、橫向三個方向的應(yīng)變隨時間的變化過程線。從圖8中可以看出，第三組土工格柵橫向應(yīng)變最大，增長最快，縱向次之，斜向應(yīng)變最小，且縱向與斜向的應(yīng)變規(guī)律較為接近。2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，第二組柔性位移計測得的數(shù)據(jù)計算得到的土工格柵在縱向、斜向、橫向三個方向的應(yīng)變分別為20.21%，16.16%，33.64%.

圖8 第三組柔性位移計應(yīng)變變化過程線Fig.8 Development of the strain of geogrid in the third set

圖9，10，11分別為三組柔性位移計測得的三向土工格柵在縱向、斜向、橫向的應(yīng)變變化曲線對比圖。其中圖9為各組土工格柵在縱向的應(yīng)變變化過程線，從圖9中可以看出第二組的縱向應(yīng)變最大，第三組次之，第一組最小。2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，三組柔性位移計測得的三向土工格柵縱向應(yīng)變值分別為8.71%，26.30%，20.21%.

圖9 各組格柵縱向肋條應(yīng)變對比圖Fig.9 Contrast chart of the strain of the geogrid vertical rib in each set

圖10為各組土工格柵在斜向的應(yīng)變變化過程線，從圖10中可以看出第二組的斜向應(yīng)變最大，第三組次之，第一組最小。第一組和第三組的應(yīng)變值變化趨勢相近，2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，三組柔性位移計測得的三向土工格柵斜向應(yīng)變值分別為9.88%，195.33%，16.16%.

圖10 各組格柵斜向肋條應(yīng)變對比圖Fig.10 Contrast chart of the strain of the geogrid oblique rib in each set

圖11為各組土工格柵在橫向的應(yīng)變變化過程線，從圖11中可以看出第三組的斜向應(yīng)變最大，第二組次之，第一組最小。2016年12月31日五層頂板混凝土施工完畢時，三組柔性位移計測得的三向土工格柵橫向應(yīng)變值分別為12.06%，22.27%，33.64%.

圖11 各組格柵橫向肋條應(yīng)變對比圖Fig.11 Contrast chart of the strain of the geogrid horizontal rib in each set

表3列出各組樁土沉降差及樁土應(yīng)力比，不同位置的褥墊層樁土應(yīng)力比、樁土沉降差比較大。柱下條形基礎(chǔ)交叉處應(yīng)力集中導(dǎo)致樁土沉降差較大。

4 結(jié)論

為了研究條性基礎(chǔ)下灰土樁復(fù)合地基中加筋褥墊層的工作特性，結(jié)合太原東山框架結(jié)構(gòu)宿舍樓，通過建設(shè)前埋設(shè)土壓力盒、柔性位移計等試驗設(shè)備，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，得出了建筑灰土擠密樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比隨建筑施工的變化過程線，及三向土工格柵的應(yīng)變過程線，并分析了加筋褥墊層對樁土應(yīng)力比的影響。通過對現(xiàn)場試驗，得到以下結(jié)論：

表3 樁土沉降差及樁土應(yīng)力比Table 3 Settlement difference and stress ratio of pile and soil

1) 建筑地基中，不同位置的樁土應(yīng)力比差別較大；其中位于柱下、條形基礎(chǔ)交叉中點處的樁土應(yīng)力比最大，防水板中心處的樁土應(yīng)力比最小。

2) 三向土工格柵受力能夠在橫向、斜向、縱向三個方向承受拉應(yīng)力，以提高土體的抗剪強(qiáng)度，在建筑不同的位置三向土工格柵的應(yīng)變差別較大。

3) 在同一個位置三個方向所受的拉力也有很大差異，其中位于柱下處的三向土工格柵應(yīng)變最大，三個方向中斜向肋條所受的力最大。

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