吳華崗，翟光寧，劉 朗

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707； 2.上海頂新工程規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，上海 201315；3.江蘇省句容市水利局，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)是一種新型的柔性重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，主要依靠高強(qiáng)嵌鎖塊塊體和土工格柵共同作用抵抗土壓力和外部荷載，達(dá)到穩(wěn)定的作用。高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)柔性、造型美觀、色彩多樣、施工便捷、維護(hù)方便等特點(diǎn)，近年來，廣泛用于河道護(hù)岸、園林景觀、高速公路等，相比傳統(tǒng)的混凝土和漿砌塊石結(jié)構(gòu)施工容易，并且環(huán)保美觀，耐久、耐磨、耐腐蝕[1]。

1 研究對(duì)象

高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)中塊體之間的摩擦力是由塊體的自重產(chǎn)生，然而塊體寬度普遍在0.3 m左右，造成擋墻自重整體偏輕，這樣就使得摩擦力從底部到頂部依次減小，當(dāng)土壓力增大或外部荷載加強(qiáng)，塊體間的摩擦力很難抵抗墻后荷載。通過墻后鋪設(shè)土工格柵，可以依靠土工格柵的拉伸強(qiáng)度抵抗墻后荷載，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)內(nèi)力平衡的目的，所以土工格柵的自身性能成為結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定的關(guān)鍵，現(xiàn)在市場(chǎng)上土工格柵的種類繁多，價(jià)格高低不等。經(jīng)調(diào)查，土工格柵可大致分為4種，分別為塑料土工格柵、玻璃纖維土工格柵、鋼塑土工格柵、經(jīng)編滌綸土工格柵。根據(jù)上海浦東新區(qū)的地質(zhì)情況，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和材料的經(jīng)濟(jì)性，本次選取塑料土工格柵和玻璃纖維土工格柵作為研究對(duì)象，主要分析土工格柵的水平拉力強(qiáng)度、抗拔強(qiáng)度以及鋪設(shè)長度，以便選取符合要求的材質(zhì)的土工格柵及其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格[2]。高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)示意

2 模型構(gòu)建

2.1 結(jié)構(gòu)模型

以上海市浦東新區(qū)中小河道為基礎(chǔ)，建立高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)模型。浦東新區(qū)規(guī)劃最高水位為3.75 m，常水位為2.5～2.8 m，預(yù)降水位為2.00 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求確定中小河道工程等別最高為Ⅲ等工程，主要建筑物最高級(jí)別為3級(jí)水工建筑物，堤頂高程最高為4.2 m，可以確定高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)壓頂高程最高與堤頂高程一致。另外根據(jù)浦東新區(qū)中小河道的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證河道具有一定的綠化、景觀效果，以及避免墻后土體因常水位變動(dòng)造成的沖刷、坍塌，壓頂高程普遍控制在3.2 m。水生植物不僅有凈化水質(zhì)的作用，還具有提升水景觀的效果，同樣根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，河道土平臺(tái)高程普遍控制在2.0 m，因此擋墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頂高程以土平臺(tái)高程為參照，高程控制在2.0 m。擋墻墻身底高程為2.0 m，壓頂高程3.2～4.2 m，則擋墻結(jié)構(gòu)模型高度為1.2～2.2 m。

高強(qiáng)嵌鎖塊規(guī)格較多，但普遍在400 mm×300 mm×150 mm左右，故本次計(jì)算研究選取400 mm×300 mm×150 mm的塊體為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范要求，土工格柵的間距為墻體寬度的2倍，塊體寬度300 mm，則土工格柵的間距為600 mm。經(jīng)布置高度1.2 m擋墻結(jié)構(gòu)背部鋪設(shè)2層土工格柵，而高度2.2 m擋墻結(jié)構(gòu)背部鋪設(shè)4層土工格柵，所以土工格柵的層數(shù)為2～4層。見圖2～3。

圖2 1.2 m擋墻結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 2.2 m擋墻結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 地質(zhì)模型

浦東新區(qū)地勢(shì)較為平坦，場(chǎng)地地貌單元屬長江三角洲濱海平原。地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，20 m深度范圍內(nèi)地基土均屬第四紀(jì)全新世(Q4)沉積物，主要由黏性土和粉性土組成。根據(jù)地基土沉積時(shí)代、成因及物理力學(xué)性質(zhì)差異共分為4層，分別為第①層素填土、第②層粉質(zhì)黏土、第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及第④層淤泥質(zhì)黏土。各土層主要物理性質(zhì)參數(shù)詳見表1，工程性質(zhì)分述如下：

表1 土層主要物理性質(zhì)參數(shù)表

第①層填土，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，自穩(wěn)能力較差，強(qiáng)度較低，開挖易坍塌；

第②層粉質(zhì)黏土，可塑～軟塑狀，土質(zhì)相對(duì)較好，自穩(wěn)能力較好，邊坡穩(wěn)定性較好；

第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和第④層淤泥質(zhì)黏土，流塑狀，土質(zhì)軟弱，強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，邊坡穩(wěn)定性差，且靈敏度高，土體具流變、觸變特性，受擾動(dòng)后強(qiáng)度極易降低。

由土層工程性質(zhì)分析和物理性質(zhì)參數(shù)可知，第②層粉質(zhì)黏土穩(wěn)定性強(qiáng)，黏聚力大，對(duì)擋墻形成的土壓力較小，適合作為墻后回填土的材料，故選取第②層粉質(zhì)黏土作為墻后回填土，而其物理性質(zhì)參數(shù)作為土工格柵內(nèi)力分析的指標(biāo)。

2.3 土工格柵性能指標(biāo)

土工格柵作為一種土工合成材料，在其性能指標(biāo)當(dāng)中拉伸強(qiáng)度是直接體現(xiàn)材料自身抵抗土壓力一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，也是擋墻內(nèi)部穩(wěn)定的關(guān)鍵，所以本次內(nèi)力分析研究的重點(diǎn)是分析土工格柵的拉伸強(qiáng)度與土壓力的關(guān)系。而這次的研究對(duì)象塑料土工格柵和玻璃纖維土工格柵，又因材質(zhì)和規(guī)格的不同，土工格柵又有不同的拉伸強(qiáng)度。根據(jù)規(guī)范可知，塑料土工格柵可分為聚丙烯單拉塑料格柵、高密度聚乙烯單拉格柵以及聚丙烯雙拉塑料格柵，拉伸強(qiáng)度范圍分別為35～200 kN/m，35～160 kN/m以及15～50 kN/m。玻璃纖維土工格柵呈網(wǎng)狀，經(jīng)(緯)向拉伸強(qiáng)度范圍為30～150 kN/m[3]。

2.4 外部荷載

高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)的外部荷載通常有兩種工況，分別為運(yùn)行期工況和施工期工況，其中運(yùn)行期工況的外部荷載按防汛車輛考慮，一般以5 kN/m2計(jì)，施工期工況的外部荷載按施工機(jī)械考慮，一般以10 kN/m2計(jì)。本次內(nèi)力分析考慮外部荷載時(shí)，按最不利工況計(jì)，即以10 kN/m2計(jì)。

3 內(nèi)力穩(wěn)定分析計(jì)算

在已建立的擋墻結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，研究土工格柵在不同材質(zhì)、不同規(guī)格的情況下，是否可以抵抗墻后土壓力和外部荷載，其中主要影響因素包含擋墻的高度，墻后土工格柵的層數(shù)以及最小拉伸強(qiáng)度。本次內(nèi)力穩(wěn)定分析，首先進(jìn)行水平拉力強(qiáng)度分析和抗拔強(qiáng)度分析。然后確定土工格柵的鋪設(shè)長度，具體見圖4～5。

圖4 1.2 m擋墻土工格柵分層以及破裂面示意圖

圖5 2.2 m擋墻土工格柵分層以及破裂面示意圖

3.1 土工格柵水平拉力強(qiáng)度分析

通過模型構(gòu)建，在已確定的擋墻結(jié)構(gòu)高度，土工格柵的層數(shù)和性能指標(biāo)、土層物理性質(zhì)參數(shù)以及外部荷載等基礎(chǔ)上，土工格柵水平拉力強(qiáng)度采用《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表2。

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ka+Δσhi]svi/Ar

(1)

(2)

Ta/Ti≥1

(3)

式中，Ti為第i層土工格柵所受水平拉力，kN/m；Ta為土工格柵的允許抗拉強(qiáng)度，kN/m，塑料土工格柵按最小拉伸強(qiáng)度計(jì)，即15 kN/m，玻璃纖維土工格柵按最小拉伸強(qiáng)度計(jì)，即30 kN/m；σvi為第i層土工格柵所受土的垂直自重壓力，kpa；∑Δσvi為超載引起的垂直附加壓力，kPa；Δσhi為水平附加荷載，kPa；Ar為土工格柵面積覆蓋率，取1；svi為土工格柵垂直間距，m。

根據(jù)表2可知，由于土工格柵水平強(qiáng)度的抗拉允許值不小于1，所以在土工格柵的材質(zhì)和規(guī)格選擇上，應(yīng)選擇拉伸強(qiáng)度≥30 kN/m的產(chǎn)品，其中塑料土工格柵中的聚丙烯單拉塑料格柵、高密度聚乙烯單拉格柵以及玻璃纖維土工格柵的最小拉伸強(qiáng)度均≥30 kN/m，滿足抗拉允許值的要求。而聚丙烯雙拉塑料格柵則應(yīng)選擇規(guī)格TGSG3030以上的產(chǎn)品，即拉伸強(qiáng)度≥30 kN/m的產(chǎn)品。

表2 土工格柵水平拉力強(qiáng)度分析表

3.2 抗拔穩(wěn)定分析

根據(jù)土工格柵水平拉力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知，每層土工格柵所受的水平拉力值，再依據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)公式，可計(jì)算出土工格柵的抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 土工格柵抗拔穩(wěn)定分析結(jié)果

Tpi=2σviBLeif

(4)

Tpi/Ti≥1.5

(5)

式中，Tpi為第i層土工格柵抗拔力，kN/m；B-為土工格柵寬度，m，滿堂鋪時(shí)，B=1；Lei為第i層破裂面以外的土工格柵長度,最小不得小于1 m；f為土工格柵與土的摩擦系數(shù)，取0.5。

根據(jù)表3可知，當(dāng)墻后回填土重度以及摩擦系數(shù)等因素不變的情況下，破裂面以外的土工格柵長度越長，抗拔穩(wěn)定系數(shù)越高，另外考慮材料的經(jīng)濟(jì)性，第②～④層土工格柵長度按最小長度控制，即Lei=1 m。而第①層土工格柵為滿足抗拔穩(wěn)定，Lei可控制在1.5～2.5 m。

3.3 土工格柵鋪設(shè)長度分析

根據(jù)土工格柵抗拔穩(wěn)定分析結(jié)果可知，裂面以外的每層土工格柵的最小長度，再依據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)公式，可計(jì)算出每層土工格柵鋪設(shè)長度，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

Li=Loi+Lei+Lwi

(6)

式中，Li為第i層土工格柵最小長度，m；Loi為第i層破裂面以內(nèi)長度，m；Lwi為土工格柵與墻面連接所需長度，取0.3 m。

根據(jù)表4可知，擋墻高度越高，土工格柵的鋪設(shè)長度就越長。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮加強(qiáng)土工格柵的抗拔穩(wěn)定，第②～④層土工格柵最小長度可按2 m控制，第①層土工格柵最小長度可控制在2.5～4.0 m。

表4 土工格柵鋪設(shè)長度分析表

4 其他穩(wěn)定措施

4.1 錨固棒

高強(qiáng)嵌鎖塊建議選擇自帶預(yù)留孔的塊體，利用錨固棒使上下塊體形成一個(gè)整體，起到連接、固定的作用。錨固棒一般采用橡膠材質(zhì)，這樣墻體就具有了一定的柔性和韌性。錨固棒插入孔內(nèi)的同時(shí)，從土工格柵的縫隙穿過，不僅可以固定土工格柵，增加抗剪強(qiáng)度，還可以防止墻后土體回填或壓實(shí)過程中，土工格柵從塊體間抽出，達(dá)到保證施工質(zhì)量，減少偏差目的。見圖6。

圖6 錨固棒示意圖

4.2 碎石或砂卵石回填

墻后采用碎石或砂卵石回填，并鋪設(shè)土工布。不僅可以起到排水、反濾的作用，而且在土壓力或外部荷載的作用下，碎石或砂卵石層會(huì)自我調(diào)節(jié)適應(yīng)變形，增加抗剪強(qiáng)度，抵消部分荷載，起到緩沖作用，使墻體結(jié)構(gòu)不易被毀壞。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，碎石或砂卵石回填寬度一般控制0.3 m。

5 結(jié) 語

通過建立結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型，分析在土壓力和外部荷載作用下，土工格柵所受水平拉力的受力范圍，滿足抗拉允許值，選擇符合要求的土工格柵產(chǎn)品。所以采用塑料土工格柵和玻璃纖維土工格柵作為墻后筋體材料時(shí)，應(yīng)選用拉伸強(qiáng)度≥30 kN/m的規(guī)格產(chǎn)品。在抗拔穩(wěn)定分析中，滿足抗拔穩(wěn)定允許值后，便可計(jì)算出破裂面以外的土工格柵最小長度，從而確定土工格柵最小鋪設(shè)長度，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，除第①層外土工格柵最小長度可按2 m鋪設(shè)。另外還可以通過設(shè)置錨固棒和碎石或砂卵石回填等措施，增強(qiáng)擋墻的抗剪強(qiáng)度。這樣內(nèi)外結(jié)合，多措并舉，使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，也便于高強(qiáng)嵌鎖塊擋墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用[4]。