浅析土木工程地基加筋固化技术林启航

浅析土木工程地基加筋固化技术林启航

林启航

身份证号码：44520219911007xxxx广东深圳518000

摘要：随着社会主义新农村建设的不断推进，目前，农村新建民宅多为多层建筑，但因为地基承载力的限制，不少多层民宅在地基与基础的造价均占据了总造价的百分之二十以上，有些地基较差的地区甚至用到了桩基础，如能便利有效地提高地基承载力，便可大大减少工程造价。提高地基承载力甚至能达到“以浅基础代替深基础”的目的，所以在地基技术上的突破便具有了其时代的迫切性。地基加筋固化技术便是其中一个有利的突破方向，具有较高的便利性与经济性。

关键词：土木工程；加筋地基；地基承载力；凝聚力

1地基加筋固化技术运用历史

加筋固化技术在我国具有较长的运用历史，例如在夯土墙中掺入草筋、在软土地基中铺设柔韧性较高的枝条。有些加筋固化后的建筑物甚至到了今日依旧挺拔，例如河北登封嵩岳寺塔的地基、北京古长城的墙身、故宫三大殿的台基。值得注意的是，为了使筋体与土体能有效的结合，进而发挥两者各自的特性，促使筋材与土体能形成有效的受力复合体，中国古代还创造性的发明“胶水”技术，在加筋材固化土体的同时还会在土中掺入糯米甚至鸡蛋等胶凝材料。上述历史经验，对当今发展和运用加筋固化技术具有精确的指导意义。

19世纪以后，随着钢筋混凝土的普及与外国文化的剧烈冲击，中国的木结构、夯土等传统建筑工艺仿佛一夜之间便被全盘放弃。经过这一百的发展与反思，现代学者开始不断的重拾中国传统工艺，并不断利用中国传统技艺弥补现代生产技艺的不足。

和现代的复合地基相比，加筋固化地基土（下称“加筋地基”）具有不需进行大规模的土体置换、不需大型施工设备（搅拌桩机）、不需大量资金投入等优势。通过简便的土体加筋与夯实便能明显地提高地基承载力，在新农村建设的过程中，甚至能达到“以浅基础代替深基础”的目的，所以在加筋地基技术上的突破便具有了其时代的迫切性。

2地基加筋固技术机理

加筋固化地基就是在地基的土层中掺入一些水平拉结材料，拉结材料与土层之间由于夯实与土自重而压紧，从而迫使土和拉结材料形成一个较为统一的受力复合体。加筋地基一旦受到外来的荷载，筋材与周围土体之间便能会产生相对位移，进而在两者之间产生一定的摩擦力，这就相当于给土层增加了一个侧压力，这样在一定程度上，能有效的避免土体偏移。

由于筋材的弹性模量远大于土体，所以加筋地基所用的筋材并不需采用传统大直径钢筋，甚至仅采用薄片状的筋材便可满足受力要求。常用的筋材有土工布、土工格栅、编织网、土工条带等。其做法是将浅基础下一定深度的软弱土体挖走，然后逐层铺设筋材与砂石，随铺随夯，最终使筋材与砂土等组成加筋地基作为地基持力层。这种处理方法具有明显改善土体的抗拉、抗剪性能，提高地基承载力、减少沉降等优势。

3地基加筋固化技术研究

由于对加筋地基计算理论与验算方法缺少较为全面的认知，现在加筋地基的运用更多仅停留于概念性的运用阶段。通过对多个乡镇走访，该技术的运用范围极小，即便遇到有使用该技术的民宅工程，也大多是经由经验丰富的老师傅直接进行筋体的铺设，该过程并未进行精确的理论计算。因各地区的土质物理性能的差异，上述个案中的筋材铺设方法与用量也仅能在当地小范围使用，无法直接大范围普及。所以能否提出合理的基础性理论假定便成为了能否在此技术上有所突破的关键所在。

笔者以为：筋材的最大的作用是能使土体在拉筋方向获得一定的拉结力，该拉结力可有效阻止土颗粒的移动，从而提高其承载力。通过对比可知该拉结力的性质类同于土体本身的黏聚力，所以我们可以把“筋材对土体的贡献问题”转化为“筋材对土体黏聚力的贡献问题”从而奠定一定的实验假定。

正常情况下的地基土单元，当保持最小主应力σ3不变，随着最大主应力σ1增大时，土体会产生一定的竖向压缩与侧向膨胀，当土体的变形达到极限时，土体便发生剪切破坏，将整个破坏过程按莫尔应力圆表示，即图中的圆A。

当我们在地基土中设置相应的筋材时，通过筋材与土体之间的摩擦作用，有极大一部分侧向力由筋材承担，其最大主应力σ1将大幅提高，土体的侧向膨胀得到有效的约束，故在同样的土体极限状态下，加筋土将能承受更大的剪切力。将整个破坏过程按莫尔应力圆表示，即图中的圆B。

由于筋材体积所占比例较小，所以假定土体的内摩擦角φ在加筋前后并未有较大的变化，通过对两个莫尔应力圆的分析可知，两个圆最大的差别在于圆B具有较大的黏聚力△C。通过上述实验原理，我们可以按区域根据不同的地质情况，用实验实测出筋材对土体黏聚力△C的贡献值，之后再乘以一个安全储备系数a1与施工质量系数a2，进而得出加筋地基的实际承载力。该承载力对减少工程造价、简化施工程序将有直接的重大意义。

通过对加筋地基的破坏性试验得知，加筋地基存在三种极限状态下的破坏形式：

1、筋材拔出

当筋材的抗拉强度远大于其与地基土体的滑动摩擦力，随着加筋地基内力的增大，筋材承受的轴向力将逐步增大，直至摩擦力力无法有效的握裹筋材时，筋材与土体将发生相对位移，从而导致加筋地基出现受力薄弱点，进而导致地基破坏。在此过程中，筋材发生的应变往往较小，无法通过前期的变形与裂缝等现象进行观察，故此过程往往是瞬时的，属于“脆性破坏”，危害较大。

2、筋材断裂

当筋材的抗拉强度远小于其与地基土体的滑动摩擦力，随着加筋地基内力的增大，筋材承受的轴向力将逐步增大，而土体的摩擦力任能有效的握裹筋材时，筋材将发生较大的应变甚至断裂，从而导致地基破坏。在此过程中，筋材的应变较大，可以通过前期的变形与裂缝等现象进行观察，故该过程有一段较长的持续过程，属于“延性破坏”，危害较小。

3、筋土破坏

当筋材抗拉强度与地基土体提供的滑动摩擦力差别不大时，随着加筋地基内力的增大，筋材将发生滑移与断裂，从而导致地基破坏。如能有效保证土体提供的滑动摩擦力为极限力，则该极限状态既能有效发挥土体的握裹力，也能使筋材性能得到有效发挥。且此过程属于“延性破坏”，危害较小。

上述三种破坏形式均在理论上存在，但由于筋材的单位面积抗拉强度往往很大，这将导致即使在筋材表面积较小的情况下便能具有了较大的抗拉强度，而较小的表面积必然不无法产生足够大的滑动摩擦力。所以在实际生产使用过程中，“筋材断裂”这种极限破坏形式基本不会出现，且避免“筋材断裂”破坏的措施往往是简单易行的。所以如何有效“避免筋材拔出”、“保证土体提供的滑动摩擦力为极限力”便成为了制约加筋土承载力的关键因素。

“避免筋材拔出”与“保证土体提供的滑动摩擦力为极限力”的问题，我们可以参考古人“土中掺鸡蛋”的智慧，以加大筋材与土体的粘结力为解决该问题的立足点。夯实过程可优先采用一定级配的砾砂土或砂类土，这有利于提高夯实强度与摩阻力。也可在加筋土的薄弱部位增设水泥等一定量的胶凝材料，进而有效的提高粘结强度，避免上述情况的发生。

结语：综上所述，加筋地基土在新农村现代建设的过程具有重要的意义和作用。对于存在软弱土层的地区，该技术在一定程度上，决定了基础的经济效益和社会效益的获得程度。由于本次可供分析的实验数据有限，所以仅能从理论层面论述该技术的合理性与可行性。希望该技术在后续研究过程中能通过大量的实验推导出上述的几个设计系数，进而推进该技术的全面发展、运用。

参考文献：

［1］秦伟．结构与地基加固技术在土木工程设计中的应用探讨［J］．门窗，2016（06）：62．

[2]王志波.结构与地基加固技术在土木工程设计中的应用研究[J].建筑知识，2016（9）：140.