加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)在選煤廠項目中的應(yīng)用與研究

張宗軍 李軍慶 張淑民

鶴壁煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司（458030）

1 應(yīng)用簡要說明

加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)就是在地基淺層沿水平方向分層鋪設(shè)具有較高抗拉強度的筋材(如土工筋帶、土工格柵、土工織物等合成材料)形成復(fù)合土體，從而增強土體的穩(wěn)定性，減小沉降，提高地基承載力。

經(jīng)過實踐證明∶對于地基承載力要求小于250 kPa的建筑物，采用加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)進行地基處理，與混凝土灌注樁、CFG樁、振密砂樁等復(fù)合地基相比，可節(jié)省地基處理費用30%～50%，而且施工工藝簡便、工期短，具有良好的環(huán)保性和抗震性，社會效益、經(jīng)濟效益十分顯著。

目前，加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用，該技術(shù)對保護環(huán)境、提高地基承載力及大幅度降低地基處理費用具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 應(yīng)用背景

鶴煤投資公司福祥選煤廠項目是集團公司的重點工程,為早日發(fā)揮經(jīng)濟效益，項目建設(shè)要求“短、平、快”。在工程建設(shè)中，因為場地內(nèi)建筑物基礎(chǔ)所處的地基持力層為粉質(zhì)粘土，地耐力僅為140 kPa，經(jīng)結(jié)構(gòu)計算設(shè)計地耐力為240 kPa，所以需要對原地基進行處理以滿足設(shè)計地耐力要求。設(shè)計單位初期計劃采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）或鋼筋混凝土灌注樁。由于選煤廠項目要求工期緊，采用樁基施工周期長，費用高，因此我們提出應(yīng)進行多個技術(shù)方案對比，找出滿足工程實際要求的地基處理辦法。

1）經(jīng)過與專業(yè)樁基施工隊伍聯(lián)系了解施工周期和費用情況后,得知∶施工樁基周期一般為1～2個月,另外待混凝土凝固及養(yǎng)護28 d后還要進行樁的靜載試驗，整個周期約為3～4個月，并且樁基施工費用及樁的檢測費用較高。

2）如采用強夯地基對現(xiàn)場周邊原有生產(chǎn)、生活建筑物影響較大，實施過程中會帶來一定的安全隱患。

3）加筋復(fù)合墊層加固地基，施工周期一般在一周左右，施工方法簡便，易于操作，費用投入也較低。

經(jīng)過方案對比，采用了加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)。福祥選煤廠項目中使用加筋復(fù)合墊層的單位工程有∶原煤緩沖倉；精煤倉（兩連體倉）；主廠房及壓濾車間；精煤、中煤、矸石倉。

3 加筋復(fù)合墊層加固地基的機理

加筋復(fù)合材料在軟弱土的換填土中主要起加筋作用，由于筋帶有遠高于換填土的模量，在基底力作用下會產(chǎn)生拉應(yīng)力，其向上的分量預(yù)應(yīng)力將抵消一部分上部荷載，即提高了地基的承載力。換填土在加入筋帶復(fù)合材料后，筋土接觸面上的磨擦力使墊層的側(cè)限作用和“粘聚”作用增強，從而整體性和剛度顯著增大。

《地基處理與實例分析》資料表明∶加筋復(fù)合砂石墊層的應(yīng)力傳遞擴散角由無筋時的20°增加為38°～40°；《地基基礎(chǔ)理論與實踐新進展》資料通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墊層厚度約為0.2 B～0.25 B（B為基礎(chǔ)寬度），且加筋層數(shù)為一層時，加筋復(fù)合砂石墊層的應(yīng)力擴散角可大致為23°～26°;而現(xiàn)行規(guī)范則建議當(dāng)墊層厚度＜0.25B時，取應(yīng)力擴散角θ=0°。

此外，加筋復(fù)合墊層屬于柔性結(jié)構(gòu)，能很好的吸收地震能量，故其抗震性能好。

4 地質(zhì)概況

鶴煤投資公司福祥選煤廠地表絕對標(biāo)高為+172.25 m，場內(nèi)地層自上而下依次為∶

①素填土。層厚0.8～2.90 m，回填時間4年，主要填料為殘積粘性土和混磚瓦石塊,場地分布均勻；

②淤泥。呈飽和流塑狀，主要由粘粒、粉粒組成，夾雜有有機質(zhì)，該層層厚4.00～9.00 m；

③粉質(zhì)粘土。呈飽和可塑狀，手搓稍有粉粒感，粘性較好，標(biāo)貫試驗的校正平均值為10擊，層位穩(wěn)定，厚度為 4.80～9.55 m；

④含泥中粗砂。呈飽和密狀，層厚0.7～4 m；

⑤沙質(zhì)粘土。呈飽和可塑狀，層厚0.5～3 m；

⑥中砂。飽和，含泥約10%～20%，均勻分布于場地，厚度約 2.10～7.60 m；

⑦殘積粘性土。飽和，可塑，原為輝綠巖脈，長石礦物已全風(fēng)化成土狀，標(biāo)貫試驗校正平均值為17擊，厚 2.70～6.70 m；

⑧散體強風(fēng)化花崗巖，大部分長石類礦物已經(jīng)風(fēng)化呈土狀，巖心手捻可散，厚度2.25～14.20 m；

⑨強風(fēng)化花崗巖層；

⑩中風(fēng)化花崗巖。

5 加筋復(fù)合墊層設(shè)計計算

5.1 加筋復(fù)合墊層強度計算

PU=CUNC+2Tsinθ/B+βTNq/R；

PU—加筋復(fù)合墊層強度（MPa）；

CU—原地基土的不排水剪切強度（MPa）；

NC、Nq—承載力系數(shù) NC=5.3，Nq=1.4；

T—土工織物的抗拉強度（MPa）；

θ—基礎(chǔ)邊緣與土工織物傾斜角,取值10°～17°;

B—基礎(chǔ)表面作用的荷載寬度(基礎(chǔ)寬度)(m)；

β—地基形狀系數(shù)，一般取0.5；

R—假設(shè)圓半徑，一般取3 m；或軟土層厚度的一半，但不超過5 m。

5.2 沉降變形計算

按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》分層總和法計算出的沉降量為 sl（mm），沉降經(jīng)驗系數(shù) ψs取 0.55，最終沉降量∶

5.3 下臥層地基承載力計算

Pz—軟弱層頂面的附加壓力（kPa）；

Pcz—軟弱層頂面墊層的自重壓力（kPa）；

fz—軟弱層深度修正后的承載力設(shè)計值（kPa）。

軟弱層頂面的附加應(yīng)力PZ根據(jù)加筋在墊層中的作用按下列經(jīng)驗公式（2）計算∶

式中∶γ—復(fù)合墊層容重(kN/m3)；b—基礎(chǔ)板寬度(m)；Z—復(fù)合墊層厚度(m)；k—加筋作用系數(shù)；p—設(shè)計基底壓力(kPa)。

其中加筋作用系數(shù)k值根據(jù)土工織物綜合影響系數(shù)mc。按下列公式計算確定∶

當(dāng)軟弱層厚度t≤3.0 m，且t/b≤0.2 m時，k值按公式（1）計算；當(dāng) t＞3.0 m 或 t/b＞0.2 時值按公式（2）計算。

土工織物綜合影響系數(shù)mc按公式（5）計算∶

式中∶lidi—分別為基礎(chǔ)橫向土工織物筋帶的長度與寬度（m）；Ljdj—分別為基礎(chǔ)縱向土工織物筋帶的長度與寬度（m）;N—土工織物筋層的層數(shù)；F—基礎(chǔ)底面積m2。

5.4 加筋墊層結(jié)構(gòu)示意圖

5.5 加筋墊層設(shè)計要求

加筋砂石墊層厚2.0 m，共布設(shè)4層筋帶。筋帶采用TG復(fù)合加筋帶，規(guī)格（厚×寬）為2.5 mm×5.0 mm，筋帶按間距300 mm雙向編制成網(wǎng)。沿墊層周邊每層布置胞腔式砂石袋，每層筋帶端頭回折2.5～3 m。筋帶鋪設(shè)前要進行調(diào)直，不得出現(xiàn)扭曲、皺折、重疊等現(xiàn)象。

筋帶接頭采用搭接，搭接長度不少于1.5 m。筋帶不得在日光下暴曬或長時間裸露。回填材料采用級配砂石。每層回填厚度300 mm，壓實系數(shù)不小于0.96以上。

6 加筋復(fù)合墊層加固地基施工工藝

6.1 施工工藝

1）基坑挖至設(shè)計要求的墊層標(biāo)高，經(jīng)有關(guān)部門驗槽后，在原土上面鋪40 mm厚粗砂。

2）按照設(shè)計要求編織每層土工加筋帶,間距300 mm，注意一個編字，即縱橫兩個方向的土工加筋帶互相疊壓，以增大其摩擦力。

3）將裝好砂石的編織袋排列于基坑內(nèi)四個周邊，以壓緊土工加筋帶。

4）將加筋帶兩端分別繞編織袋回折，用3寸釘將回折端釘于地基上，將加筋帶固定，回折長度不小于 2.5～3 m。

5）在加筋帶上面虛鋪級配砂石260 mm厚,要注意砂石的含水率，如含水率過大則將砂石翻松晾曬，含水率過小則需灑水濕潤，以保證級配砂石能夠壓實到最大密度。

6）使用壓路機從筋帶中部開始碾壓，按順序碾壓至筋帶尾部，根據(jù)實際經(jīng)驗和試驗，碾壓5～6遍為宜，壓實后的級配砂石厚度約為200 mm，基坑四周和集水坑周圍壓路機不易壓實的地方，用蛙式打夯機夯實。

7）請有關(guān)部門測定碎石碾壓后的干密度。

8）干密度達到設(shè)計要求后按上述方法鋪設(shè)第二層加筋帶。

9）虛鋪260 mm厚級配砂石，按上述方法壓實。

10）最后在上部虛鋪110 mm厚級配砂石，壓實后標(biāo)高達到設(shè)計要求。

6.2 施工注意事項

1）加筋帶應(yīng)有出廠試驗報告及相應(yīng)技術(shù)測定指標(biāo)。

2）第一層筋帶不得直接鋪于原土上。

3）加筋帶如需搭接，搭接長度＞1 500 mm，用3寸釘釘接。

4）鋪攤級配砂石時要隨時注意砂石級配是否均勻，是否符合要求，如不均勻一定要拌勻。

5）加筋帶頂面以上填料，一次鋪攤厚度不小于200 mm，以免壓路機碾壓時擾動下層筋帶。

6）砂石填筑壓實時，應(yīng)隨時檢查其含水量是否滿足壓實要求。

7）壓路機重量低于8 t，既便于出入基坑，又可防止擾動地基土。

8）碾壓前應(yīng)進行壓實試驗，以確定分層鋪攤厚度和碾壓遍數(shù)以便指導(dǎo)施工，壓實后干密度要大于2.2 t／m3。

9）每層砂石料鋪攤完畢應(yīng)及時碾壓。

10）壓路機不允許直接碾壓筋帶，壓實作業(yè)先從筋帶中部開始，逐步碾壓至筋帶尾部，壓路機不得在未經(jīng)壓實的填料上急劇改變運行方向和急剎車，以免擾動下層筋帶。

11）不得使用羊足碾碾壓。

7 加筋復(fù)合墊層施工的關(guān)鍵控制點

為達到加筋復(fù)合墊層的加固效果，必須對整體加筋復(fù)合墊層的施工工藝、施工質(zhì)量進行嚴(yán)格控制∶

1）增加初期應(yīng)力，且其端部應(yīng)有可靠的錨固，以發(fā)揮土工織物的抗拉強度。錨固愈牢固，承載力提高愈多，地基中的應(yīng)力分布愈均勻。土工織物端部的固定，靠端部折起鋪設(shè)長度來保證，把端部折起包裹砂體，以增加其握裹力，保證使用期間不被拔出。

2）施工順序?qū)咏钚Ч兄卮蟮挠绊?。施工時應(yīng)讓土工織物盡早處于受拉狀態(tài)，土工織物抗拉強度只有在變形時才得以發(fā)揮，所以施工時不得使土工織物發(fā)生折皺，要將土工織物盡可能拉平、拉緊。

3）為了使土工織物在受荷初期有足夠的應(yīng)變，在墊層施工時可按下列順序∶鋪土工織物——拉平拉緊兩端，兩端折起用包裹砂礫壓緊并在兩端填砂——中心填砂——兩端砂增高——中心填砂。

按以上方法施工時可使土工織物盡早從原來形成波浪形被拉緊開來，使其在受荷初期發(fā)揮作用。

8 保證加筋復(fù)合墊層效果的要求

1）把材料入場關(guān)。施工前應(yīng)取得檢驗部門出具的土工織物性能鑒定書，對進場砂石進行檢驗。

2）土工筋帶應(yīng)有一定的松緊度，但不得出現(xiàn)扭曲，皺折及重疊現(xiàn)象，端頭處理嚴(yán)格施工圖執(zhí)行。

3）土工筋帶搭接是關(guān)鍵，必須釘嵌牢固。

4）壓實作業(yè)一定按照規(guī)定施工，不得擾動地基土和下層筋帶。

9 沉降觀測

沉降觀測是驗證加筋復(fù)合地基加固的一個重要指標(biāo),也是驗證加固質(zhì)量與效果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，施工單位一定要重視沉降觀測點的設(shè)置與沉降量的觀測，并收集、整理。在工程主體施工中要在建筑物的規(guī)定部位設(shè)置沉降觀測點,并按規(guī)范要求進行觀測，收集、整理及分析沉降情況。

鶴煤投資公司福祥選煤廠項目施工單位在工程施工中及竣工后分別按規(guī)定進行了觀測，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)分析，沉降量均符合規(guī)范要求。

10 總論

通過鶴煤投資公司福祥選煤廠項目工程實踐，對加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)應(yīng)用總結(jié)如下∶

1）經(jīng)檢驗，加筋復(fù)合墊層厚度Z與大板基礎(chǔ)寬度b之比≤0.25時,具有一定的應(yīng)力擴散作用，可滿足粉土層地基上部重型建筑物對地基強度和變形的要求，可直接節(jié)約地基處理費用30%～50%，社會效益、經(jīng)濟效益十分顯著，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2）土工織物（筋帶）綜合影響系數(shù)mc對復(fù)合墊層整體性起關(guān)鍵作用，mc值宜為2～8。鑒于大板基礎(chǔ)邊緣存在超應(yīng)力,該部位土工筋帶應(yīng)適當(dāng)加密，但筋層不應(yīng)直接置于軟弱層頂面。

3）加筋復(fù)合墊層加固技術(shù)的應(yīng)用為我們今后處理類似地基提供了可靠案例，并積累了可借鑒的施工經(jīng)驗及關(guān)鍵技術(shù)點。

4）該技術(shù)的應(yīng)用在選煤廠建設(shè)中產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益,與采用樁基相比項目可節(jié)省投資50余萬元；縮短工期約2個多月，圓滿的按集團公司要求的期限完成。該項目的提前投產(chǎn)，可為福祥選煤廠創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益約6 000萬元（按照原煤與精煤差價500元計算）,受到建設(shè)單位和集團公司領(lǐng)導(dǎo)的好評。

5）加筋復(fù)合墊層加固地基技術(shù)在地基加固中的應(yīng)用尚處于探索和研究階段，目前對加筋墊層的受力及筋土界面的作用機理仍需進一步研究，雖然采用該技術(shù)取得了成功,但用于實際工程仍需慎重。

6）加筋復(fù)合墊層加固軟土地基是一種行之有效的、經(jīng)濟合理、安全可靠、簡單易行的方法，但目前定性的、經(jīng)驗的成分較多，尚缺乏嚴(yán)謹?shù)睦碚撚嬎愎?、可靠充分的測試數(shù)據(jù)來支撐，還有待于在今后的實際應(yīng)用中進一步總結(jié)和探索。