肖志喬,程松明

(上海市水利工程設(shè)計研究院,上海 200061)

1 問題的提出

隨著上海市社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,土地資源緊缺矛盾日益突出,利用灘涂資源進(jìn)行人工圈圍造地是增加上海市土地供應(yīng)進(jìn)行占補(bǔ)平衡的有效手段。但隨著全市沿海灘涂多年的開發(fā)建設(shè),可供圈圍的灘涂資源越來越少。為了加快圈圍建設(shè)進(jìn)度,有時采用先促淤后圈圍的造地方式,使新建圍堤建于沉積僅2～5 a的淤泥質(zhì)土層上,這給圍堤地基處理帶來了較大難度。

土工格柵自20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)以來,在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用。土工格柵具有抗拉強(qiáng)度高,延伸率低,與土石結(jié)合效果好,耐久性強(qiáng),施工簡便等特點(diǎn),主要用途是改善土體的工程性能,起到加固和穩(wěn)定土體的作用[1].。特別是在新近沉積的淤泥質(zhì)軟土上圈圍筑堤,土工格柵的應(yīng)用能有效提高地基的承載力,增加擴(kuò)散角,控制不均勻沉降[2].。

2 土工格柵作用機(jī)理

土工格柵的作用機(jī)理在于格柵與土的相互作用,這種相互作用可歸納為3種情況:①格柵表面與土的摩擦作用;②格柵孔眼對土的“鎖定”作用;③土對格柵肋的被動阻抗作用。

圖1 土工格柵作用機(jī)理圖

上述3種作用均能充分約束土顆粒側(cè)向位移,從而增加土體的自立穩(wěn)定性,至于這3種作用在土體中各自發(fā)揮的程度將隨格柵種類、開孔大小、土顆粒級配等因素而定,土工格柵加筋土可以擴(kuò)散應(yīng)力提高地基承載力,限制土體側(cè)向位移。

格柵由于制造中經(jīng)過了定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向定向排列,加強(qiáng)了分子鏈接間的聯(lián)結(jié)力,提高了抗拉強(qiáng)度(可較未拉伸前提高5～10倍),而延伸率卻只有原板材的10%～15%;土石料在格柵網(wǎng)格內(nèi)互鎖力增高,摩擦系數(shù)也顯著增大,使得土工格柵在土中的抗拔能力或格柵對土的加固效果明顯高于其它加筋構(gòu)件。由此可見,土工格柵作為加筋材料有比其它土工加筋產(chǎn)品更優(yōu)良的力學(xué)性能。

圖2 土工格柵力學(xué)性能圖

3 圍堤加筋計算方法

采用規(guī)范公式計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),然后計算所需土工格柵數(shù)量,再計算考慮土工格柵后的整體穩(wěn)定。

3.1 土工格柵計算

采用傳統(tǒng)的土坡穩(wěn)定分析圓弧滑動法,求出未加筋海堤邊坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和相應(yīng)的滑動力矩、力臂,海堤邊坡滿足規(guī)范要求時的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)所需要的總加筋力[3].,見公式(1):

式中:TS為堤坡需要由加筋材料提供的總加筋力(kN/m);FS為未加筋土坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);M0為未加筋土坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時的滑動力矩(kN?m);d0為未加筋堤坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時的滑動力臂(m);

S

根據(jù)總加筋力TS,土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力等物理力學(xué)指標(biāo),結(jié)合工程實(shí)際擬定所需加筋的圍堤范圍,初步選定筋材的強(qiáng)度,計算鋪設(shè)層數(shù)[4].,見公式(2):

3.2.2 多元化旅游設(shè)施規(guī)劃 旅游設(shè)施是整個規(guī)劃的重點(diǎn)，在當(dāng)?shù)氐慕ㄖ亍⒆匀辉睾臀幕氐然A(chǔ)上對當(dāng)?shù)氐馁徫镌O(shè)施、餐飲設(shè)施、住宿設(shè)施和旅游標(biāo)識設(shè)施等進(jìn)行不同的打造以滿足不同游客的需求。一方面要加強(qiáng)規(guī)劃引領(lǐng)，深度挖掘地方特色，同時實(shí)施規(guī)范化管理，提升旅游品牌形象。另一方面可建立產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)制，發(fā)揮投資機(jī)構(gòu)的特色，創(chuàng)造多元化、多樣式和多渠道的投資途徑，用于對當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施、房車營地、高端名宿產(chǎn)品和休閑養(yǎng)生場所等進(jìn)行開發(fā)，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

式中:Ta為加筋材料的容許抗拉強(qiáng)度(kN/m);n為坡高范圍內(nèi)鋪設(shè)的筋材層數(shù),筋材鋪設(shè)間距一般為0.3～1.0m。

3.2 穩(wěn)定驗(yàn)算

抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算采用圓弧滑動法,計算簡圖見圖3。以瑞典條分法為基礎(chǔ)并考慮格柵的作用。當(dāng)格柵受到的拉力為Tsi時,它對土體受力的作用以切向分量 Tsicosθi直接抵抗施加于土體中的剪應(yīng)力,格柵拉力的法向分量Tsisinθi增加了剪切面上的壓應(yīng)力,從而增加了剪切面上的摩擦反力[4].。

圖3 穩(wěn)定計算簡圖

設(shè)滑動面為AB弧,將AB弧上的土體劃分為若干土條,忽略土條兩側(cè)的作用力,作用在土條i上的滑動力Ti和抗滑力Fi分別為:

(1)滑動力 Ti=Wisinθi

滑動力矩Msi=Ti?R

總滑動力矩∑Msi=R∑Ti

(2)抗 滑 力 Fi=Wicosθitanφ+cili+Tsicosθi+Tsisinθitanφ

抗滑力矩MTi=Fi?R

滑動土體沿滑動面滑動的安全系數(shù)見公式(3):

式中:ci為土條i的單位黏聚力(kPa);li為土條i的弧底長度(m);Wi為土條i的重量(kN);θi為土條i弧段中心點(diǎn)的半徑與過圓心點(diǎn)鉛垂線之間的夾角(°);φ為填土內(nèi)摩擦角(°);n為滑動弧面與相交格柵的層數(shù);Tsi為土工格柵的設(shè)計拉力(N/m)。

驗(yàn)算時假定多個可能的滑動面,求出相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),再按傳統(tǒng)條分法求出最危險滑弧的位置和邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的最小值k,當(dāng)最小的k值不滿足規(guī)范要求時,通過調(diào)整選定土工格柵的材料強(qiáng)度和鋪設(shè)間距,直到最小的k值滿足規(guī)范要求為止。

4 工程應(yīng)用

長江口南岸小沙背圈圍工程堤基下除淤泥層和沖填土層外,③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和④淤泥質(zhì)黏土層分布厚度達(dá)13.7～17.1m,地基土層物理力學(xué)參數(shù)見表1,此2層土天然孔隙比均大于1.0,強(qiáng)度較低,壓縮性高,土質(zhì)不均,施工加載不當(dāng)易導(dǎo)致滑坡,需進(jìn)行地基處理,地基處理在一定程度上又會影響工期。因此采用何種地基處理方案,將直接影響工程投資和工期。同時,該工程工期短、施工強(qiáng)度高,施工組織難度大。工程于2007年底開工,2008年4月底之前需達(dá)到設(shè)計標(biāo)高,工期較為緊張。

表1 地基土層物理力學(xué)參數(shù)表

該工程設(shè)計2種堤基處理方案:方案1:土工格柵加筋法;方案2:塑料排水板法。

(1)方案1通過在堤基鋪設(shè)土工格柵,調(diào)整地基應(yīng)力分布,使堤基應(yīng)力趨向均勻,提高地基土強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定。該法不能減少圍堤工后沉降,但由于土工格柵的作用,可以減少圍堤的沉降差。

(2)方案2即在圍堤施工前,在堤心地基范圍內(nèi)施打塑料排水板,該法能加快地基土體的排水固結(jié),提高地基土強(qiáng)度,改善圍堤的整體穩(wěn)定性,并在施工期消除大部分沉降,從而減少圍堤工后沉降和沉降差,但該法施工工期較長。

(3)2種方案比較見表2。

表2 地基處理方案比較表

綜合比較,推薦采用方案1(土工格柵)進(jìn)行地基處理,該方法既能滿足穩(wěn)定、沉降等要求,工程投資省,又能縮短工期,滿足工程供地時間節(jié)點(diǎn)的要求。該法的缺點(diǎn)是圍堤工后沉降較大,可通過適當(dāng)加大拋高加以解決。

經(jīng)過計算,無土工格柵時施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15(1級堤防施工期允許安全系數(shù)為1.20),鋪設(shè)1層土工格柵后施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.26,故圍堤堤基鋪設(shè)1層土工格柵即可滿足抗滑穩(wěn)定要求,選用單向拉伸聚丙烯土工格柵TGDG120,每延米拉伸屈服力(kN/m)≥120,屈服伸長率(%)≤10,2%伸長率時的拉伸力(kN/m)≥35,5%伸長率時的拉伸力(kN/m)≥70,盡量寬,以減少搭接損耗量。有關(guān)土工格柵的其它要求須滿足GB/T 17689—1999《土工合成材料塑料土工格柵》 的要求[5].。施工時先清除堤基面層浮泥,然后鋪設(shè)土工格柵,再實(shí)施底層充泥管袋通袋,再實(shí)施堤身其它結(jié)構(gòu)。圍堤斷面見圖4。

圖4 土工格柵加筋地基處理方案圖

圍堤實(shí)測堤頂高程見圖5,沉降計算成果見圖6,為了便于沉降計算與實(shí)測值對比分析,本文對典型斷面圍堤觀測數(shù)據(jù)與計算值進(jìn)行對比分析 (見表3、4)。

圖5 海塘大堤墻頂高程實(shí)測歷時線圖

圖6 海塘大堤沉降計算歷時曲線圖

表3 堤頂高程及沉降差對比表

表4 計算沉降量與觀測數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)實(shí)測的沉降資料與理論計算進(jìn)行對比可知,沉降計算與實(shí)際基本一致。原海塘設(shè)計墻頂高程為8.5m,尚有一定超高富余度,滿足工后沉降要求。目前,該工程已實(shí)施完畢并投入運(yùn)行,從現(xiàn)場踏勘情況看,圍堤未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降而引起堤頂?shù)缆泛头览藟﹂_裂等不良現(xiàn)象,圍堤運(yùn)行正常。

5 結(jié) 語

土工格柵具有施工工序少、施工速度快、工程質(zhì)量易于控制、工程費(fèi)用低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn),值得在軟土地基圍堤工程中推廣應(yīng)用。具體工程可根據(jù)實(shí)際需要,選用單向拉伸、雙向拉伸或四向三角形等不同規(guī)格型號的土工格柵。

[1].易田宏.Netlon土工格柵在國道繞城線軟土地基處理中的應(yīng)用[J].,中南公路工程,2000(06):88-89.

[2].劉衛(wèi)東.土工格柵在新建鐵路軟土地基處理中的應(yīng)用[J]..路基工程,2002(03):52-54.

[3].傅長鋒.多層土工格柵圍堤的穩(wěn)定性分析計算方法 [J]..水科學(xué)與工程技術(shù),2005(B12):4-6.

[4].張裕寧,李先華,劉偉,等.GB/T 17689—1999土工合成材料塑料土工格柵[S]..北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.