加筋土砌塊擋墻在臨海市平原河道治理中的應(yīng)用

單式利,包瑛瑛,趙米構(gòu)

(臨海市水利局,浙江 臨海 317000)

1 問(wèn)題的提出

臨海市位于浙東中部沿海地區(qū),東瀕東海,南連臺(tái)州市區(qū),西接仙居縣,北連三門縣、天臺(tái)縣,陸地面積2 203 km2,其中山區(qū)、丘陵占2/3以上,為“七山、一水、兩分田” 的地貌格局。

臨海市自然水系主要屬于靈江水系,河道共有2 952條,總長(zhǎng) 3 366.2 km,其中縣級(jí)以下 2 917條,總長(zhǎng)2 955.54 km。縣級(jí)以下小河道集中在中部大田平原片和東部椒北平原,是河道和灌排二用渠道。大田平原和椒北平原是臨海市的人口集聚地,又是工業(yè)農(nóng)業(yè)中心。因此,對(duì)2大平原河道進(jìn)行治理,是臨海市近年來(lái)水利建設(shè)的重要項(xiàng)目,以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),節(jié)約灌溉用水,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

受傳統(tǒng)河道治理觀念的約束,臨海市平原河道護(hù)岸大部份采用漿砌塊石、干砌塊石擋墻等硬質(zhì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)。由于上述2種結(jié)構(gòu)型式用料大,造成對(duì)當(dāng)?shù)氐纳搅仲Y源、生態(tài)環(huán)境的破壞,也拖延工期,增加施工過(guò)程中的不可預(yù)測(cè)性。傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)岸的大面積使用,使河道的自凈能力減弱,不符合當(dāng)前生態(tài)河道建設(shè)的要求。另外,受當(dāng)?shù)貛r倉(cāng)禁采的約束,石料較難購(gòu)買,也制約了河道治理工程的進(jìn)展?；谝陨显?臨海市平原河道治理工程需要采用省料、省工、生態(tài)的的護(hù)岸斷面方案。加筋土砌塊擋墻是一種結(jié)合拉筋、砌塊的新型護(hù)岸結(jié)構(gòu),具有施工簡(jiǎn)便、快速,地基處理簡(jiǎn)便,穩(wěn)定性好,生態(tài)的優(yōu)點(diǎn),在平原河道治理應(yīng)用中具有廣泛的前景。

2 作用的機(jī)理

加筋土砌塊擋墻是利用加筋土技術(shù)修建的一種支擋結(jié)構(gòu)物,加筋土是一種在土中加入拉筋的復(fù)合土,它利用拉筋與土之間的摩擦作用,改善土體的變形條件和提高土體的工程性能,從而達(dá)到穩(wěn)定土體的目的。加筋土砌塊擋墻由填料、拉筋及砌塊組成。

在加筋土結(jié)構(gòu)中,由填土自重和外力產(chǎn)生的土壓力作用于墻面板(砌塊),通過(guò)墻面板上的拉筋連接件將土壓力傳遞給拉筋,企圖將拉筋從土中拉出。而拉筋材料被土壓住,于是填土與拉筋之間的摩擦力阻止拉筋被撥出。因此,只要拉筋材料具有足夠的強(qiáng)度,并與土產(chǎn)生足夠的摩阻力,則加筋的土體就可保持穩(wěn)定。

3 加筋土砌塊擋墻材料與構(gòu)造設(shè)計(jì)

加筋砌塊擋墻是由填料、拉筋及生態(tài)砌塊組成,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)等具體條件與設(shè)計(jì)要求合理選成各部分材料,并進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)。

3.1 填 料

填料是加筋土砌塊擋墻的主體材料,要求易于填筑、壓實(shí),能與拉筋產(chǎn)生足夠的摩擦力,水穩(wěn)定性好,不含有大量有機(jī)物,以免加速拉筋的老化和溶解。填料優(yōu)先選用具有一定級(jí)配、透水性好的砂類土、碎石類土,也可采用黃土、黏性土及工業(yè)廢渣,但要做好防水、排水設(shè)施和確保壓實(shí)質(zhì)量。

3.2 拉 筋

拉筋的作用是承受垂直荷載和水平拉力,并與填料產(chǎn)生摩擦力。要求拉筋具有抗拉能力強(qiáng),延伸率小,蠕彎小,不易產(chǎn)生脆性破壞;與填料之間具有足夠的摩擦力;腐蝕和耐久性能好;具有一定的柔性,加工容易,與砌塊連接簡(jiǎn)單;使用壽命長(zhǎng),施工簡(jiǎn)使。

拉筋的選擇與砌塊種類、內(nèi)部穩(wěn)定休戚相關(guān),影響工程建設(shè)占地和投資,宜選用高模量、高黏附性拉筋 (如PP帶土工格柵、鋼塑土工格柵、拉伸土工格柵),以達(dá)到用筋量少、斷面開挖量小的目的。

3.3 砌 塊

目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)用于河道中的生態(tài)砌塊主要有后垂式砌塊、榮勛砌塊2種形式。

后垂型砌塊[1]是美國(guó)Anchor公司的技術(shù),稱為鉆石型砌塊。后垂型砌塊砌體與拉筋的連接能力由2部分組成:一是拉筋上部的砌塊重量所提供的摩擦力,二是塑料插桿提供的抗拔力。由于砌塊之間的摩擦力較小,砌體與拉筋的連接能力較小,因此,需要布置較多層的拉筋,同時(shí),還需要增設(shè)塑料插桿來(lái)提供連接能力。由于采用塑料插桿,且后垂部形成2處直角轉(zhuǎn)折,只能采用織造土工格柵、雙向拉伸土工格柵等低模量的拉筋,需要的斷面長(zhǎng)度較采用高模量拉筋的長(zhǎng),因此斷面開挖量大。另外,部分后垂型砌塊生產(chǎn)企業(yè)取消了塑料插桿,導(dǎo)致砌體與拉筋的連接能力不足,工程應(yīng)用中安全隱患頻發(fā)。后垂式砌塊結(jié)構(gòu)見圖1。

榮勛砌塊[2-3]的上斜面、下斜面與平面構(gòu)成115°以上的角度,被卡壓在上下層砌塊之間,加筋材料在轉(zhuǎn)彎處也存在115°以上的角度,加筋材料在砌體中形成3處轉(zhuǎn)彎和端部的榮勛結(jié),使得加筋材料被卡壓錨固于砌體中,提供較大的卡鎖抗拔力和錨固抗拔力[1]。加上加筋材料上部的砌塊重量所提供的摩擦力,使得加筋材料與榮勛砌塊砌體之間有足夠的連接能力。選用榮勛砌塊后,可以選用PP帶土工格柵、鋼塑土工格柵、拉伸土工格柵等高模量、高黏附性拉筋,從而減小斷面開挖量,減少占地,節(jié)省投資。榮勛砌塊結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 后垂式砌塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 榮勛砌塊結(jié)構(gòu)示意圖

4 加筋土砌塊擋墻計(jì)算方法

4.1 拉筋計(jì)算

拉筋計(jì)算主要包括拉筋強(qiáng)度和長(zhǎng)度計(jì)算,根據(jù)拉筋的不同種類采用不同的計(jì)算方法。當(dāng)采用鋼塑土工格柵、PP帶土工格柵、拉伸土工格柵這類抗拉模量高、延伸率低的土工格柵作為拉筋時(shí),加筋土擋土墻的的破裂面屬于剛性筋式破裂面,采用應(yīng)力分析法計(jì)算;當(dāng)采用織造土工格柵、土工織物這類低模量的土工材料作拉筋時(shí),加筋土擋土墻的破裂面屬于柔性筋式破裂面,宜采用楔體平衡分析方法。

河道護(hù)岸工程線長(zhǎng)面廣,為減少土地占用,節(jié)約投資,宜采用抗拉模量高、延伸率低的土工格柵作為拉筋。下面以應(yīng)力分析法為代表計(jì)算拉筋的長(zhǎng)度和強(qiáng)度[4](計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3)。

圖3 加筋土砌塊擋墻計(jì)算簡(jiǎn)圖(應(yīng)力分析法)

4.1.1 加筋內(nèi)部土壓力計(jì)算

加筋內(nèi)部土壓力計(jì)算公式如下:

式中:Ki為加筋體內(nèi)深度Zi處土壓力系數(shù);Kj為靜止土壓力系數(shù);Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù);Zi為第i單元筋帶結(jié)點(diǎn)至加筋體頂面的垂直距離,m。

4.1.2 拉筋強(qiáng)度計(jì)算

拉筋強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

式中:fk為筋帶材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于土工格柵,為筋帶的斷裂拉力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);γQ1為加筋體及墻頂填土主動(dòng)土壓力或附加荷載土壓力的分項(xiàng)系數(shù);γR2為拉筋材料抗拉計(jì)算調(diào)節(jié)系數(shù);γf為筋帶材料抗拉性能的分項(xiàng)系數(shù);Ti為zi層深度處的筋帶所承受的水平拉力,kN;σzi為加筋土填料作用于深度zi處墻面板上的水平土壓應(yīng)力,kPa;σai為車輛(或人群)附加荷載作用于深度 zi處墻面板上的水平土壓應(yīng)力,kPa;σbi為加筋體頂面以上填土重力換算均布土厚所引起的深度zi處墻面板上的水平土壓應(yīng)力,kPa;hb為計(jì)算水位以上加筋體高度;γ0為加筋體填料水下容重;zi'為計(jì)算水位以下的第i單元筋帶結(jié)點(diǎn)與計(jì)算水位的高差,m;h0為車輛或人群附加荷載換算等代均布土層厚度,m;Lc為加筋體計(jì)算時(shí)采用的荷載布置寬度,m,取路基全寬;Lci為加筋體深度zi處的荷載擴(kuò)散寬度,m;hi為加筋體上坡面填土換算等代均布土厚度;sx為筋帶結(jié)點(diǎn)水平間距,m,取1 m;sy為筋帶結(jié)點(diǎn)垂直間距,m。

4.1.3 拉筋長(zhǎng)度計(jì)算

拉筋長(zhǎng)度計(jì)算公式如下:

式中:Li為第i層筋帶在的總長(zhǎng)度,m;Lai為第i層筋帶在穩(wěn)定區(qū)的有效錨固長(zhǎng)度,m;Loi為第i層筋帶在活動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度,m;γR1為筋帶抗拔力計(jì)算調(diào)節(jié)系數(shù);f'為料與筋帶間的似摩擦系數(shù);bi為結(jié)點(diǎn)上的筋帶總寬度,m,取1 m;σi為在zi層深度處,作用于筋帶上的豎直壓應(yīng)力 ,kPa。

4.2 外部穩(wěn)定性計(jì)算

加筋土砌塊擋墻的外部穩(wěn)定性分析時(shí),把拉筋的末端與砌塊之間的填土視為一整體墻,即為加筋體,其驗(yàn)算方法與普通重力式擋墻相似,視加筋體為剛體。根據(jù)破壞形式,外部穩(wěn)定性分析的內(nèi)容有抗滑穩(wěn)定性與抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算。

5 工程應(yīng)用

臨海市牛頭山水庫(kù)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造2010年度項(xiàng)目西洋橫河改造工程位于臨海市東部椒北平原,工程地質(zhì)除表層粉質(zhì)黏土層外,第2層為淤泥層,頂埋深1.4～2.0 m,厚度27.0～30.0 m;第3層為粉質(zhì)黏土層,層頂埋深29.0～31.8 m,厚度 4.5～14.1 m。地基土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基土層主要物理力學(xué)參數(shù)表

工程設(shè)計(jì)了2種護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式:方案1:重力式干砌石擋墻;方案2:加筋土砌塊擋墻。

(1)重力式干砌石擋墻:擋墻墻高1.9 m;墻頂寬0.6 m,擋墻內(nèi)坡為1∶0.1,迎水坡采用1∶0.4;擋墻頂部為 10 cm厚C20混凝土壓頂,底板采用30 cm厚C20混凝土,下鋪20 cm厚碎石墊層;擋墻內(nèi)坡鋪設(shè)1層300g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?擋墻后夯填干土。

(2)加筋土砌塊擋墻:墻高2 m,面板采用RXP-260-10型榮勛砌塊,面板基礎(chǔ)采用30 cm厚C20混凝土,下鋪20 cm厚碎石墊層;面板設(shè)置拉筋與填土連接,拉筋采用單向鋼塑土工格柵,共設(shè)4層,每層隔0.45 m,拉筋伸入填土長(zhǎng)2.1m。

(3)2種方案比較見表2:

表2 河道護(hù)岸斷面比較表

綜合比較,推薦采用方案2進(jìn)行護(hù)岸加固型式。該方案能滿足穩(wěn)定、沉降要求,又能縮短工期,生態(tài)性好,是一種較理想的護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

經(jīng)計(jì)算,最大拉筋總長(zhǎng)度為2.03 m,設(shè)計(jì)采用4層等長(zhǎng)的布筋方式,拉筋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)采用2.1 m。拉筋最大拉力設(shè)計(jì)值為37.2 kN/m2,設(shè)計(jì)采用50 kN/m2單向鋼塑土工格柵。加筋土砌塊擋墻施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.42(施工期允許安全系數(shù)為1.3)[5],運(yùn)行期安全系數(shù)為1.48(運(yùn)行期允許安全系數(shù)為1.4),故加筋土砌塊擋墻滿足抗滑穩(wěn)定要求。

該工程已完工1 a,沒有出現(xiàn)滑動(dòng)、傾覆等現(xiàn)象,加筋土砌塊擋墻運(yùn)行正常。

6 結(jié) 語(yǔ)

加筋土砌塊擋墻具有省工省料、施工簡(jiǎn)便、地基適應(yīng)能力強(qiáng)、生態(tài)性好等優(yōu)點(diǎn),值得在平原河道護(hù)岸工程中推廣應(yīng)用。

但由于拉筋在土中隨著時(shí)間推移,有老化的可能,這時(shí)砌塊抗拒外力的能力減弱。此時(shí)擋墻的穩(wěn)定主要靠土體本身的自立作用,因此,不宜在流速較快,波浪沖擊大的河道使用加筋土砌塊擋墻。

[1]江小輝,朱賢良.砌塊加筋土擋土墻選用砌塊和加筋材料應(yīng)當(dāng)注意的匹配關(guān)系 [J].建筑技術(shù),2009(9):853-855.

[2]汪榮勛.榮勛砌塊(RXP)及其擋土墻 [J].建筑砌塊與砌塊建筑,2005(5):51-55.

[3]章曉樺,孫從炎.生態(tài)柔性擋墻現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及其結(jié)果分析[J].新型建筑材料,2005(11):50-52.

[4]中華人民共和國(guó)交通部.JTG D30—2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5]中華人民共和國(guó)水利部.SL 379—2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.