D0I:10.13374/1.issnl00I103.2008.04.045 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 高永涛)曲兆军)王孝存12) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国民航机场建设集团公司科研基地，北京100101 摘要采用模型试验结合数字照相无标点变形量测技术对竖向加筋砂土条形地基的承载力、土压力分布、加筋机理、破坏 模式等方面进行了实验研究：结果表明，竖向加筋体长度与加筋体距基础中心点距离对承载力与土压力分布影响较大，竖向 加筋地基的加筋机理主要有侧限和阻隔作用，破坏模式取决于竖向加筋体的位置和长度： 关键词加筋地基；承载力：变形特性：模型试验：数字照相 分类号TU447 Model test research on bearing capacity of vertical reinforced sand foundation GAO Yongtao),QU Zhaojun).WANG Xiaocun2) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Research Base.China Airport Construction Corp of CAAC,Beijing 100101.China ABSTRACT The model test in combination with the non-target digital photography deformation measure technology was carried out to study the bearing capacity,soil-pressure distribution.reinforcement mechanism and deformation pattern of vertical reinforced foun- dation.The results shows that the length of vertical reinforcement and the distance of vertical reinforcement to foundation have obvi- ous influence on the bearing capacity and soil-pressure distribution,the main mechanism of vertical reinforcement is confinement and obstruction,and the deformation pattern is dependent on the location and length of vertical reinforcement. KEY WORDS reinforced foundation:bearing capacity:deformation pattern:model test:digital photography 20世纪60年代初，法国工程师Vidal提出现代 认识，有些研究者提出了竖向加筋的构想，竖向加 “加筋土”(reinforced earth)概念，以及加筋方法和设 筋虽然有其优势，但是国内外研究甚少.Basset 计理论，从而为加筋技术开辟了广阔的前景，加筋 等山首次研究了非水平向加筋的可能.Verma和 地基成功应用于土堤地基、浅基础地基、公路面层下 Char2]对地基中竖向加筋进行了实验研究，认为加 基层的加筋三个主要方面， 筋效果很好.Verma和ha3]基于对已有危险建筑 国内外很多学者对地基中水平向加筋进行了大 物地基加固考虑，对地基竖向加筋进行了三维模型 量研究，并取得了很多研究成果，但是水平向加筋 试验研究，取得了可喜的加固效果，ha等)用 时必须把地基土挖除后，再把加筋体和土分层铺设、 1.7mm的铁丝作为竖向加筋体，对方形基础竖向 压实，这需要很大的工程量，且只能对新建建筑物地 加筋进行了模型试验研究，探讨了加筋范围R和加 基进行加固，对于已有建筑物地基加固无能为力， 筋体间距s对承载力的影响.Shimiz可做了在圆 地基表面受竖向荷载时，地基土就会发生剪切 形基础周围套放一个用报纸或纸板做的横截面为正 变形，进而形成剪切破坏面使地基破坏，如果在地基 六角形的筒作为竖向加筋体的圆形基础砂土地基的 竖向加筋模型试验研究，结果表明这种加筋形式对 土中加入某种结构物或加筋体来阻止这种剪切面的 形成，势必会改变地基土的变形性状，提高地基承载 地基承载力提高显著，为了更全面地探求竖向加筋 地基的加筋机理和破坏模式，对加筋地基的承载力 力，基于对土体施加侧限可以改变土体破坏性状的 性能有更全面的了解和较为系统的认识，本文进行 收稿日期：2007-03-08修回日期：2007-04-12 了较系统的竖向加筋地基模型试验，重点研究竖向 作者简介：高永涛(1962一)，男教授，博士生导师， 加筋长度(L)和加筋距离(X)对地基承载力性能、 E-mail:9625008558@sina-com 地基土体位移与破坏面发展、加筋机理与破坏模式
竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 高永涛1） 曲兆军1） 王孝存12） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 中国民航机场建设集团公司科研基地北京100101 摘 要 采用模型试验结合数字照相无标点变形量测技术对竖向加筋砂土条形地基的承载力、土压力分布、加筋机理、破坏 模式等方面进行了实验研究．结果表明竖向加筋体长度与加筋体距基础中心点距离对承载力与土压力分布影响较大竖向 加筋地基的加筋机理主要有侧限和阻隔作用破坏模式取决于竖向加筋体的位置和长度． 关键词 加筋地基；承载力；变形特性；模型试验；数字照相 分类号 TU447 Model test research on bearing capacity of vertical reinforced sand foundation GA O Yongtao 1）QU Zhaojun 1）W A NG Xiaocun 2） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Research BaseChina Airport Construction Corp of CAACBeijing100101China ABSTRACT T he model test in combination with the non-target digital photography deformation measure technology was carried out to study the bearing capacitysoi-l pressure distributionreinforcement mechanism and deformation pattern of vertical reinforced foundation．T he results shows that the length of vertical reinforcement and the distance of vertical reinforcement to foundation have obvious influence on the bearing capacity and soi-l pressure distributionthe main mechanism of vertical reinforcement is confinement and obstructionand the deformation pattern is dependent on the location and length of vertical reinforcement． KEY WORDS reinforced foundation；bearing capacity；deformation pattern；model test；digital photography 收稿日期：2007-03-08 修回日期：2007-04-12 作者简介：高永涛（1962—）男教授博士生导师 E-mail：g625008558＠sina．com 20世纪60年代初法国工程师 Vidal 提出现代 “加筋土”（reinforced earth）概念以及加筋方法和设 计理论从而为加筋技术开辟了广阔的前景．加筋 地基成功应用于土堤地基、浅基础地基、公路面层下 基层的加筋三个主要方面． 国内外很多学者对地基中水平向加筋进行了大 量研究并取得了很多研究成果．但是水平向加筋 时必须把地基土挖除后再把加筋体和土分层铺设、 压实这需要很大的工程量且只能对新建建筑物地 基进行加固对于已有建筑物地基加固无能为力． 地基表面受竖向荷载时地基土就会发生剪切 变形进而形成剪切破坏面使地基破坏如果在地基 土中加入某种结构物或加筋体来阻止这种剪切面的 形成势必会改变地基土的变形性状提高地基承载 力．基于对土体施加侧限可以改变土体破坏性状的 认识有些研究者提出了竖向加筋的构想．竖向加 筋虽然有其优势但是国内外研究甚少．Basset 等［1］首次研究了非水平向加筋的可能．Verma 和 Char ［2］对地基中竖向加筋进行了实验研究认为加 筋效果很好．Verma 和 Jha ［3］基于对已有危险建筑 物地基加固考虑对地基竖向加筋进行了三维模型 试验研究取得了可喜的加固效果．Jha 等［4］ 用 ●1∙7mm 的铁丝作为竖向加筋体对方形基础竖向 加筋进行了模型试验研究探讨了加筋范围 R 和加 筋体间距 S 对承载力的影响．Shimizu ［5］ 做了在圆 形基础周围套放一个用报纸或纸板做的横截面为正 六角形的筒作为竖向加筋体的圆形基础砂土地基的 竖向加筋模型试验研究结果表明这种加筋形式对 地基承载力提高显著．为了更全面地探求竖向加筋 地基的加筋机理和破坏模式对加筋地基的承载力 性能有更全面的了解和较为系统的认识本文进行 了较系统的竖向加筋地基模型试验重点研究竖向 加筋长度（ L ）和加筋距离（ X）对地基承载力性能、 地基土体位移与破坏面发展、加筋机理与破坏模式 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．045
,350 北京科技大学学报 第30卷 的影响 1.2模型试验参数 1模型试验 模型试验竖向加筋见图1. ZZZ☑ 1.1实验方案 B 1.1.1装置 模型箱尺寸长80cm、宽40cm、高80cm,边框采 用角钢焊制，正面为10mm厚透明钢化玻璃，用以 观测地基土体的变形并进行数码照片拍摄，通过图 ● ● 像分析得出土体位移场·加载装置为一刚度较大的 s=3 cm ● 铁制杠杆，杠杆长320cm,直径4cm,阻力臂40cm, ● B ● 动力臂320cm,杠杆右端由一个带螺孔的铰结支座， ● 用螺栓和模型箱一右侧边固定，离右端铰接支座40 cm处有一个与杠杆铰接的加荷支座，加载支座底端 图1竖向加筋基础 是加载板，杠杆的左端铰结一个砝码盘，根据需要逐 Fig.1 Vertical reinforced foundation 级加砝码.这种记载装置不需荷载补偿，可以精确 逐级加载， 基础宽B为8cm,长35cm.沿模型试验基础长 条形基础模型采用长35cm、宽8cm、厚3cm的 度方向加筋体之间采用同一间距3cm,重点研究不 钢板，刚度很大，为了保证基底粗糙，在基础底面用 同竖向加筋长度(L)及加筋体与基础中心距离(X) 胶粘了一层砂纸，竖向加筋采用横截面正方形（边 布筋时对地基承载力性能的影响，加筋体长度(L) 长5mm)木棍，加筋体长度及与基础中心距离由实 分别为0.5B、1B、1.5B和2B,加筋体与基础中心 验方案确定 距离(X)分别为0.25B、0.5B、1B、1.5B和2B,进 1.1.2砂样 行交叉组合，共进行了20组实验， 土样为福建平潭标准砂，颗粒级配：直径大于 为了测量加筋地基中土压力的分布情况，在砂 0.65mm的颗粒占3%，0.45~0.65mm的占40士5%， 土中埋设了15个微型土压力盒，其布置形式见 0.25~0.4mm的占51士5%，小于0.25mm的占 图2.为了测量竖向加筋体所受的侧向土压力，在 6%.颗粒密度P.=2.643g/cm3;最大与最小干密 一根长2B的小木棍上等间距粘贴了四个微型土压 度分别为Pdmax=1.74g/cm3和dmin=1.43g/cm3. 力盒，离地基表面的距离分别为0.25B、0.75B、 最大与最小孔隙比分别为ems=0.848和emim= 1.25B和1.75B 0.519.粒径组成特性参数：d50=0.34mm,C.= 1.542,Ce=1.104. 砂采用落雨法（落距50cm)分层装入模型箱，并 控制砂土质量密度，附以夯锤夯击（夯锤质量2.5 kg,手动夯击)按要求装砂至地基平面，根据实验 方案在指定的位置插入木棍，装砂完成后静置6h 以上，使装砂产生的不均匀应力消除 0.375B 1.1.3测量装置与数据采集 在基础的四角各放置一个量程为30mm的百 图2土压力盒布置 分表，以量测基础的沉降，基础的沉降值为四个百分 Fig-2 Distribution of soil pressure measurers 表读数的平均值，施加在基础上的荷载根据施加的 砝码质量由杠杆作用原理计算出，装砂时根据实验 2结果与分析 方案的位置埋设微型应变式土压力盒，地基中土压 2.1基础荷载与沉降 力分布通过导线与YE2539高速静态应变仪相连， 模型加载方式采用均布荷载，其与沉降关系是 用计算机采集应变数据，加筋地基土体位移和破坏 地基力学特性的基本关系之一·为了研究方便，本 面的形成发展是通过分析各级荷载下的高分辨率数 文定义地基极限承载力状态为基础突然发生很大的 字照片获得的. 沉降（无筋地基大于2mm,加筋地基大于5mm)或
的影响． 1 模型试验 1∙1 实验方案 1∙1∙1 装置 模型箱尺寸长80cm、宽40cm、高80cm边框采 用角钢焊制正面为10mm 厚透明钢化玻璃用以 观测地基土体的变形并进行数码照片拍摄通过图 像分析得出土体位移场．加载装置为一刚度较大的 铁制杠杆杠杆长320cm直径4cm阻力臂40cm 动力臂320cm杠杆右端由一个带螺孔的铰结支座 用螺栓和模型箱一右侧边固定离右端铰接支座40 cm 处有一个与杠杆铰接的加荷支座加载支座底端 是加载板杠杆的左端铰结一个砝码盘根据需要逐 级加砝码．这种记载装置不需荷载补偿可以精确 逐级加载． 条形基础模型采用长35cm、宽8cm、厚3cm 的 钢板刚度很大．为了保证基底粗糙在基础底面用 胶粘了一层砂纸．竖向加筋采用横截面正方形（边 长5mm）木棍加筋体长度及与基础中心距离由实 验方案确定． 1∙1∙2 砂样 土样为福建平潭标准砂．颗粒级配：直径大于 0∙65mm的颗粒占3％0∙45～0∙65mm 的占40±5％ 0∙25～0∙4mm 的占51±5％小于0∙25mm 的占 6％．颗粒密度 ρs＝2∙643g／cm 3 ；最大与最小干密 度分别为 ρdmax＝1∙74g／cm 3 和 ρdmin＝1∙43g／cm 3． 最大与最小孔隙比分别为 emax ＝0∙848和 emin＝ 0∙519．粒径组成特性参数：d50＝0∙34mmCu＝ 1∙542Cc＝1∙104． 砂采用落雨法（落距50cm）分层装入模型箱并 控制砂土质量密度附以夯锤夯击（夯锤质量2∙5 kg手动夯击）．按要求装砂至地基平面根据实验 方案在指定的位置插入木棍装砂完成后静置6h 以上使装砂产生的不均匀应力消除． 1∙1∙3 测量装置与数据采集 在基础的四角各放置一个量程为30mm 的百 分表以量测基础的沉降基础的沉降值为四个百分 表读数的平均值．施加在基础上的荷载根据施加的 砝码质量由杠杆作用原理计算出．装砂时根据实验 方案的位置埋设微型应变式土压力盒地基中土压 力分布通过导线与 YE2539高速静态应变仪相连 用计算机采集应变数据．加筋地基土体位移和破坏 面的形成发展是通过分析各级荷载下的高分辨率数 字照片获得的． 1∙2 模型试验参数 模型试验竖向加筋见图1． 图1 竖向加筋基础 Fig．1 Vertical reinforced foundation 基础宽 B 为8cm长35cm．沿模型试验基础长 度方向加筋体之间采用同一间距3cm重点研究不 同竖向加筋长度（ L）及加筋体与基础中心距离（ X） 布筋时对地基承载力性能的影响．加筋体长度（ L ） 分别为0∙5B、1B、1∙5B 和2B加筋体与基础中心 距离（ X）分别为0∙25B、0∙5B、1B、1∙5B 和2B进 行交叉组合共进行了20组实验． 为了测量加筋地基中土压力的分布情况在砂 土中埋设了15个微型土压力盒其布置形式见 图2．为了测量竖向加筋体所受的侧向土压力在 一根长2B 的小木棍上等间距粘贴了四个微型土压 力盒离地基表面的距离分别为0∙25B、0∙75B、 1∙25B 和1∙75B． 图2 土压力盒布置 Fig．2 Distribution of soil pressure measurers 2 结果与分析 2∙1 基础荷载与沉降 模型加载方式采用均布荷载其与沉降关系是 地基力学特性的基本关系之一．为了研究方便本 文定义地基极限承载力状态为基础突然发生很大的 沉降（无筋地基大于2mm加筋地基大于5mm）或 ·350· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 高永涛等：竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 ,351 基础发生严重的倾斜（基础倾斜使得基础顶面和加 变化，但是承载力随间距(X)的变化趋势是一致的 荷板相接触，致使无法形成线面接触的加荷形式)， 加筋体离基础越近对地基承载力提高越大；当加筋 从而确定出极限承载力 体紧贴基础两侧（即X=0.5B)时，对承载力提高最 图3为不同竖向加筋长度(L)及加筋体与基础 大，即此时加筋效果最好，其加筋效果比加筋体位于 中心距离(X)时的载荷一沉降曲线(P一S曲线)，从 基础下部(X=0.25B时)还要好；当间距(X)在 图中可以看出：所有实验组的P一S曲线形状基本 0.5B~1B时加筋效果较好；当间距(X)大于1.5B 一致；P一S曲线的前半段是由直线段和曲线段组 时加筋效果不大 成，说明在加荷过程中地基都经历一个弹性阶段和 图5反映了加筋体长度(L)对加筋地基承载力 塑性阶段；P一S曲线的后半段都呈台阶型折线形 的影响，由图5可以看出：加筋体长度越大加筋效 状，说明竖向加筋的破坏模式都是冲切破坏 果越好，加筋体长度大于1B时加筋效果较好，加筋 荷载/kPa 荷载kPa 体长度小于1B时加筋效果较差，加筋体长度为 50100150200250 0-50100150200250300 0.5B时加筋作用不大， (a (b) 2.0 10 1.8 +-X0.25B 目0 ◆-X=0.25B +X=0.25B 0-X=0.SB -X=0.5B 15 X=0.5B t-X=0.75B 写15 ±X=0.75B ◆X=0.75B CY=18 20 ★X=1B w-X=1.5B 20 -X=1.5B 25 M-X=1.5B ◆-X=2B ◆-X=2B -=2B 25 0 0.5 1.0 152.0 2530 荷载Pa 荷载/kPa L/B 50100150200250300 50100150200250 图5地基承载比(CBR)随竖向加筋体长度与基础宽度比值(L/ (c) (d) B)的变化 Fig.5 Variation in California bearing ratio with L/B ratio 10 量20 +-X=025B ◆-X=025B 尊25 0-X=0.5B 0X=0.5B 2.2地基中土压力分布 ★X=0.75B +X=0.75B 20 米X=1B 通过埋设在地基土中和粘贴在加筋体上的土压 米X=1B -K=1.5B 年-=15B 25 ◆X=2B 力传感器量测了土中土压力和加筋体受到的侧向土 ◆X=2B 45L 压力，限于文章篇幅，本文只给出了加筋体长度 (L)为2B、加筋体到基础中心的距离(X)为0.5B 图3四种竖向加筋长度时实测的P一S曲线.(a)L=0.5B: 和1.5B两种加筋形式在荷载为93.14kPa时竖向 (b)L=1B;(c)L=1.5B:(d)L=2B 土压力分布，见图6，H为土压力传感器埋置深度. Fig.3 Measured P-S curves of four kinds of vertical reinforced lengths:(a)L=0.5B:(b)L=1B:(c)L=0.5B:(d)L=1B 同时，也分别给出了X为0.5B和1.5B时的 侧向土压力分布，见图7，从图中可以看出，竖向加 图4反映了加筋体与基础间距对加筋地基承载 筋体所受的侧向土压力并不均匀，而是有最大值点 比的影响.由图4可以看出：尽管加筋体长度有所 和最小值点，且最大值点和最小值点随加筋体到基 2.0r 础中心的距离(X)变化有所变化：当X小于0.75B ◆-L=0.5B 18 ■一L=1B 时，土压力最大值位于竖向加筋体的下半部中心处， ▲一L=1.5B 1.6 L=2B 最小值位于上半部中心处；当X大于1B时，土压 力最大值位于竖向加筋体的上半部中心处，最小值 1.2 位于下半部中心处，其分布情况和侧向受荷桩有些 类似[61 1.0 1.5 2.0 XIB 2.3地基破坏面的发展 对每组实验在每级荷载作用下土体位移及破坏 图4地基承载比(CBR)随加筋体基础中心间距与基础宽度比值 (X/B)的变化 面进行了数码照片的拍摄，应用图像分析软件对照 Fig.4 Variation in California bearing ratio with X/B ratio 片进行分析，得到实验中地基土体剪应变场，从而得
基础发生严重的倾斜（基础倾斜使得基础顶面和加 荷板相接触致使无法形成线面接触的加荷形式） 从而确定出极限承载力． 图3为不同竖向加筋长度（ L ）及加筋体与基础 中心距离（ X）时的载荷—沉降曲线（ P—S 曲线）．从 图中可以看出：所有实验组的 P—S 曲线形状基本 一致；P—S 曲线的前半段是由直线段和曲线段组 成说明在加荷过程中地基都经历一个弹性阶段和 塑性阶段；P—S 曲线的后半段都呈台阶型折线形 状说明竖向加筋的破坏模式都是冲切破坏． 图3 四种竖向加筋长度时实测的 P—S 曲线．（a） L ＝0∙5B； （b） L＝1B；（c） L＝1∙5B；（d） L＝2B Fig．3 Measured P—S curves of four kinds of vertical reinforced lengths：（a） L＝0∙5B；（b） L＝1B；（c） L＝0∙5B；（d） L＝1B 图4 地基承载比（CBR）随加筋体基础中心间距与基础宽度比值 （ X／B）的变化 Fig．4 Variation in California bearing ratio with X／B ratio 图4反映了加筋体与基础间距对加筋地基承载 比的影响．由图4可以看出：尽管加筋体长度有所 变化但是承载力随间距（ X）的变化趋势是一致的 加筋体离基础越近对地基承载力提高越大；当加筋 体紧贴基础两侧（即 X＝0∙5B）时对承载力提高最 大即此时加筋效果最好其加筋效果比加筋体位于 基础下部（ X ＝0∙25B 时）还要好；当间距（ X）在 0∙5B～1B 时加筋效果较好；当间距（ X）大于1∙5B 时加筋效果不大． 图5反映了加筋体长度（ L ）对加筋地基承载力 的影响．由图5可以看出：加筋体长度越大加筋效 果越好加筋体长度大于1B 时加筋效果较好加筋 体长度小于1B 时加筋效果较差加筋体长度为 0∙5B 时加筋作用不大． 图5 地基承载比（CBR）随竖向加筋体长度与基础宽度比值（ L／ B）的变化 Fig．5 Variation in California bearing ratio with L／B ratio 2∙2 地基中土压力分布 通过埋设在地基土中和粘贴在加筋体上的土压 力传感器量测了土中土压力和加筋体受到的侧向土 压力．限于文章篇幅本文只给出了加筋体长度 （ L）为2B、加筋体到基础中心的距离（ X）为0∙5B 和1∙5B 两种加筋形式在荷载为93∙14kPa 时竖向 土压力分布见图6H 为土压力传感器埋置深度． 同时也分别给出了 X 为0∙5B 和1∙5B 时的 侧向土压力分布见图7．从图中可以看出竖向加 筋体所受的侧向土压力并不均匀而是有最大值点 和最小值点且最大值点和最小值点随加筋体到基 础中心的距离（ X）变化有所变化：当 X 小于0∙75B 时土压力最大值位于竖向加筋体的下半部中心处 最小值位于上半部中心处；当 X 大于1B 时土压 力最大值位于竖向加筋体的上半部中心处最小值 位于下半部中心处．其分布情况和侧向受荷桩有些 类似［6］． 2∙3 地基破坏面的发展 对每组实验在每级荷载作用下土体位移及破坏 面进行了数码照片的拍摄应用图像分析软件对照 片进行分析得到实验中地基土体剪应变场从而得 第4期 高永涛等： 竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 ·351·
,352 北京科技大学学报 第30卷 荷载93.14kPa土压力 荷载93.14kPa土压力 1501 (a) 150r (b) ◆—-0.25B ◆-H-0.25B 90 量-H-0.5B 90 ■—H0.5B 60 盒—H=0.75B —兴—H=1B 60 ★-H-0.75B 30 4一H=1B 0 0.0 0.5 1.0 1.5 0.0 0.5 1.0 15 X/B X/B 图6竖向加筋时的土压力分布.(a)L=2B,X=0.5B:(b)L=2B,X=1.5B Fig.6 Distribution of soil pressure with vertical reinforcement:(a)L-2B.X=0.5B:(b)L=2B.X=1.5B -◆-20kPa (a) 2.0r ■-37kPa (b) -◆-11kPa ★-50kPa 1.5 ■-29kPa 一67kPa ▲—50kPa 1.0 ￥一76kPa —72kPa ●一85kPa 0.5 米一89kPa +—93kPa ●一109kPa 1.0 1.5 2.0 一102kPa 1.0 15 2.0 H/B H/B 图7加筋体侧向土压力.(a)X=0.5B;(b)X=1.5B Fig.7 Distribution of soil pressure with vertical reinforcement:(a)X=0.5B:(b)X=1.5B 出地基破坏面的发展，图8为竖向加筋L=2B、 筋无论其布置形式和布置参数如何变化，其加筋机 X=0.5B时地基的破坏模式，从图中可以看出，破 理主要是：(1)侧限作用，刚性竖向加筋体可以限制 坏面首先在基底两侧形成，并与地基表面按一定角 加筋体内侧的地基土体向侧向移动，其侧限作用的 度逐渐发展，直至在基底下形成一个三角形楔体，与 大小是由竖向加筋体承受侧向土压力的能力决定 此同时加筋体内侧的土体沿加筋体产生下滑，随荷 的，这种侧限作用降低基础下部地基的沉降，提高地 载逐渐增大，破坏面进一步发展，加筋体内侧的土体 基承载力，(2)阻隔作用，竖向加筋体由于刚度很 沿加筋体产生下滑的幅度进一步增大，并形成两个 大，使地基破坏面不能通过竖向加筋体，因此只要在 沿加筋体的冲切破坏面，直至地基破坏，没有形成贯 无筋地基破坏面位置有竖向加筋体就可以阻隔破坏 穿到地表的破坏面， 面的形成，改变破坏面的形状，由于加筋体这种阻 竖向加筋L=2B,X=1B、1.5B和L=1B, 隔作用使地基破坏面向不利于地基破坏的位置发 X=0.5B时地基最终破坏的模式见图9. 展，也可以显著提高地基承载力， 从图中可以看出，竖向加筋L=2B、X=1B的 3.2破坏模式 地基破坏形式和竖向加筋L=2B、X=0.5B时差 通过模型试验地基破坏模式剪应变发展图可以 不多，但是在地基破坏时产生了一个绕竖向加筋体 看出，虽然竖向加筋地基的加筋机理主要有侧限作 底部的弧形破坏面，只是破坏面不太明显，竖向加 用和阻隔作用这两种，但由于竖向加筋体的存在，限 筋L=2B、X=1.5B时，地基不仅有一个绕竖向加 制和阻隔了地基破坏面的正常形成，竖向加筋地基 筋体底部的弧形破坏面，而且破坏面非常明显，竖 的破坏面主要是产生弧形破坏面和沿加筋体的冲切 向加筋L=1B、X=0.5B时，随荷载增加，不仅有 破坏面，至于产生哪种破坏面由竖向加筋体的位置 一个绕竖向加筋体底部的弧形破坏面，而且还产生 和长短决定，当加筋体较长且离基础距离较小时， 了两个地基土沿竖向加筋体的冲切破坏面 由于加筋体的阻隔作用，不能够形成贯穿到地表的 弧形破坏面，只能产生沿加筋体的竖向剪切破坏：当 3竖向加筋地基的加筋机理和破坏模式 加筋体较短或离基础距离较大时，地基可以形成不 3.1加筋机理 通过加筋位置的弧形破坏面，就产生沿这种贯穿到 通过竖向加筋模型试验结果分析得出，竖向加 地表的弧形破坏面破坏
图6 竖向加筋时的土压力分布．（a） L＝2BX＝0∙5B；（b） L＝2BX＝1∙5B Fig．6 Distribution of soil pressure with vertical reinforcement：（a） L＝2BX＝0∙5B；（b） L＝2BX＝1∙5B 图7 加筋体侧向土压力．（a） X＝0∙5B；（b） X＝1∙5B Fig．7 Distribution of soil pressure with vertical reinforcement：（a） X＝0∙5B；（b） X＝1∙5B 出地基破坏面的发展．图8为竖向加筋 L ＝2B、 X＝0∙5B 时地基的破坏模式．从图中可以看出破 坏面首先在基底两侧形成并与地基表面按一定角 度逐渐发展直至在基底下形成一个三角形楔体与 此同时加筋体内侧的土体沿加筋体产生下滑随荷 载逐渐增大破坏面进一步发展加筋体内侧的土体 沿加筋体产生下滑的幅度进一步增大并形成两个 沿加筋体的冲切破坏面直至地基破坏没有形成贯 穿到地表的破坏面． 竖向加筋 L ＝2BX ＝1B、1∙5B 和 L ＝1B X＝0∙5B时地基最终破坏的模式见图9． 从图中可以看出竖向加筋 L ＝2B、X＝1B 的 地基破坏形式和竖向加筋 L ＝2B、X ＝0∙5B 时差 不多但是在地基破坏时产生了一个绕竖向加筋体 底部的弧形破坏面只是破坏面不太明显．竖向加 筋 L＝2B、X＝1∙5B 时地基不仅有一个绕竖向加 筋体底部的弧形破坏面而且破坏面非常明显．竖 向加筋 L＝1B、X ＝0∙5B 时随荷载增加不仅有 一个绕竖向加筋体底部的弧形破坏面而且还产生 了两个地基土沿竖向加筋体的冲切破坏面． 3 竖向加筋地基的加筋机理和破坏模式 3∙1 加筋机理 通过竖向加筋模型试验结果分析得出竖向加 筋无论其布置形式和布置参数如何变化其加筋机 理主要是：（1）侧限作用．刚性竖向加筋体可以限制 加筋体内侧的地基土体向侧向移动其侧限作用的 大小是由竖向加筋体承受侧向土压力的能力决定 的这种侧限作用降低基础下部地基的沉降提高地 基承载力．（2）阻隔作用．竖向加筋体由于刚度很 大使地基破坏面不能通过竖向加筋体因此只要在 无筋地基破坏面位置有竖向加筋体就可以阻隔破坏 面的形成改变破坏面的形状．由于加筋体这种阻 隔作用使地基破坏面向不利于地基破坏的位置发 展也可以显著提高地基承载力． 3∙2 破坏模式 通过模型试验地基破坏模式剪应变发展图可以 看出虽然竖向加筋地基的加筋机理主要有侧限作 用和阻隔作用这两种但由于竖向加筋体的存在限 制和阻隔了地基破坏面的正常形成竖向加筋地基 的破坏面主要是产生弧形破坏面和沿加筋体的冲切 破坏面至于产生哪种破坏面由竖向加筋体的位置 和长短决定．当加筋体较长且离基础距离较小时 由于加筋体的阻隔作用不能够形成贯穿到地表的 弧形破坏面只能产生沿加筋体的竖向剪切破坏；当 加筋体较短或离基础距离较大时地基可以形成不 通过加筋位置的弧形破坏面就产生沿这种贯穿到 地表的弧形破坏面破坏． ·352· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 高永涛等：竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 .353. 359 362 314 319 269 275 224 232 179 189 134 3177123169215261307353399445492 146 892136180224268312356400444488 ■■■■ 032 063 0 3.3 竖向加筋L=2B、X=05B.基础沉降218mm时剪应变场 竖向加筋L-2B、X=1B,基础沉降5.82mm时剪应变场 360 355 315 311 270 267 224 224 179 180 13 13 3077123169215261307353399445491 4691135180224269313358402447491 ■ 0 0.43 0.87 0 0.79 1.60 竖向加筋L=2B、X=0.5B.基础沉降349mm时剪应变场 竖向加筋L=2B、X15B.基础沉降5.9兴mm时剪应变场 361 316 310 270 266 225 23 179 179 13 136 3077123169216262309355401448494 791136180225269314258403437492 14 27 0.33 0.66 竖向加筋L=2B、X=0.5B.基础沉降697mm时剪应变场 竖向加筋L=2B、X=05B,基础沉降7.45mm时剪应变场 图8竖向加筋L=2B、X=0.5B时砂土地基破坏模式 图9竖向加筋时地基最终破坏的模式，(a)L=2B,X=1B; Fig.8 Deformation pattern of vertical reinforced sound foundation (b)L=2B,1.5B;(c)L=1B,X=0.5B at L=2B and X=0.5B Fig.9 Final deformation pattern of vertical reinforced sound foun- dation:(a)L=2B.X=1B:(b)L=2B.1.5B:(e)L=1B. 4结论 X=0.5B (1)加筋体长度(L)越长加筋效果越好，加筋 参考文献 体长度大于1B时加筋效果较好，加筋体长度小于 [1]Basset R H.Last NC.Reinforcing earth below footings and em bankments//Proceedings of the Symposium on Earth Reinforce- 1B时加筋效果较差，加筋体长度小于0.5B时加筋 ment.Pittsburgh.1984:202 效果不大 [2]Verma B P.Char A N R.Bearing capacity tests on reinforced (2)加筋体离基础距离(X)越近对地基承载力 sand subgrade.JGeotech Eng.1986.112:701 [3]Verma B P.Jha J N.Three dimensional model footing tests for 提高越大，当加筋体紧贴基础两侧（即X=0.5B) improving subgrades below existing footings//Earth Reinforce- 时，对承载力提高最大，此时加筋效果最好，其加筋 ment Practice.Rotterdam.1992:707 效果比加筋体位于基础下部(X=0.25B时)还要 [4]Jha J N.Tiwari B.Verma B P.Soil reinforcement for improving subgrades below existing footings Proceedings of Indian 好；当间距在0.5B~1B时加筋效果较好；当间距 Geotechnical Conference.Bombay,1990:33 大于1.5B时加筋效果不大 [5]Shimiu M.Reinforcement of soil ground with thin vertical wall Earth Reinforcement Practice.Rotterdam.1992:683 (③)竖向加筋虽然主要有侧限作用和阻隔作 [6]Zeng Q Y.Model Tests and PFC Simulation for Laterally 用，但破坏模式却有好多种，至于产生那种破坏模式 Loaded Piles [Dissertation].Shanghai:Tongji University.2005 由竖向加筋体的位置和长短决定 (曾庆有·侧向受荷桩模型试验与颗粒流分析[学位论文]，上 海：同济大学，2005)
图8 竖向加筋 L＝2B、X＝0∙5B 时砂土地基破坏模式 Fig．8 Deformation pattern of vertical reinforced sound foundation at L＝2B and X＝0∙5B 4 结论 （1） 加筋体长度（ L ）越长加筋效果越好加筋 体长度大于1B 时加筋效果较好加筋体长度小于 1B 时加筋效果较差加筋体长度小于0∙5B 时加筋 效果不大． （2） 加筋体离基础距离（ X）越近对地基承载力 提高越大．当加筋体紧贴基础两侧（即 X ＝0∙5B） 时对承载力提高最大此时加筋效果最好其加筋 效果比加筋体位于基础下部（ X ＝0∙25B 时）还要 好；当间距在0∙5B～1B 时加筋效果较好；当间距 大于1∙5B 时加筋效果不大． （3） 竖向加筋虽然主要有侧限作用和阻隔作 用但破坏模式却有好多种至于产生那种破坏模式 由竖向加筋体的位置和长短决定． 图9 竖向加筋时地基最终破坏的模式．（a） L ＝2BX ＝1B； （b） L＝2B1∙5B；（c） L＝1BX＝0∙5B Fig．9 Final deformation pattern of vertical reinforced sound foundation：（a） L＝2BX＝1B；（b） L ＝2B1∙5B；（c） L ＝1B X＝0∙5B 参 考 文 献 ［1］ Basset R HLast N C．Reinforcing earth below footings and embankments∥ Proceedings of the Symposium on Earth Reinforcement．Pittsburgh1984：202 ［2］ Verma B PChar A N R．Bearing capacity tests on reinforced sand subgrade．J Geotech Eng1986112：701 ［3］ Verma B PJha J N．Three dimensional model footing tests for improving subgrades below existing footings∥ Earth Reinforcement Practice．Rotterdam1992：707 ［4］ Jha J NTiwari BVerma B P．Soil reinforcement for improving subgrades below existing footings ∥ Proceedings of Indian Geotechnical Conference．Bombay1990：33 ［5］ Shimizu M．Reinforcement of soil ground with thin vertical wall∥ Earth Reinforcement Practice．Rotterdam1992：683 ［6］ Zeng Q Y． Model Tests and PFC Simulation for L aterally Loaded Piles ［Dissertation］．Shanghai：Tongji University2005 （曾庆有．侧向受荷桩模型试验与颗粒流分析［学位论文］．上 海：同济大学2005） 第4期 高永涛等： 竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究 ·353·