充泥管袋加筋設(shè)計的簡化計算

王永慶 丁 麗

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院上海分院 上海 200439)

1 圍堤的地基處理方法

近年來，上海及其周邊地區(qū)在軟土地基上筑堤時，普遍采用充泥管袋斜坡式圍堤結(jié)構(gòu)。而當?shù)鼗翆佑倌嗪枯^高，地基承載力不能滿足筑堤要求時，需進行地基處理。圍堤的地基處理方法，較為常見的有排水固結(jié)法、鎮(zhèn)壓層法和加筋法等。

排水固結(jié)法，通常在圍堤堤基設(shè)置垂直和水平排水通道，利用堤身的加載預(yù)壓，加速地基土的排水固結(jié)，使地基強度獲得較快增長，以適應(yīng)堤身荷載的增加，并使地基的沉降在施工期間大部分完成。排水固結(jié)法較常用的是在軟土地基中插入塑料排水板，地表鋪設(shè)排水砂（或碎石）墊層，形成垂直和水平的排水通道。但該法中塑料排水板的施工受限較多，施工工期較長，工程費用較高。

鎮(zhèn)壓層法主要是在堤身內(nèi)外兩側(cè)增設(shè)梯形鎮(zhèn)壓平臺，能夠有效限制在堤身荷載的作用下地基土出現(xiàn)的塑性擠出和地面隆起，同時還能加快鎮(zhèn)壓層范圍內(nèi)的地基土產(chǎn)生部分固結(jié)，從而使地基強度獲得增長。但該法增大了圍堤斷面尺寸，增加圍堤工程費用。

加筋法通常有兩種，第一種在充泥管袋的土工織物上加筋，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為在圍堤底層設(shè)置一層或多層的統(tǒng)長充泥管袋。管袋采用高強土工織物，且土工織物上間隔布置丙綸繩加筋；第二種在充泥管袋之間設(shè)計土工格柵加筋，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為圍堤底層往上鋪設(shè)一層統(tǒng)長的充泥管袋后，鋪設(shè)一層高強土工格柵，充泥管袋與土工格柵間隔鋪設(shè)。為便于水平向的排水固結(jié)，加筋法通常將底層充泥管袋設(shè)計成編織布充填砂土，二層及以上則采用機織布。加筋法施工簡單，施工工期短，可加強堤身整體性，有效提高地基承載能力。

圍堤的地基處理方案，通常應(yīng)根據(jù)地基土層的特性、淤泥層的厚度和圍堤的壩高等不同，采取不同的地基處理方法，實際工程中地基處理常結(jié)合兩種或三種處理方法進行。目前，上海及周邊長三角地區(qū)在軟土地基上筑堤，當淤泥層厚度小于10m 時，通常采用充泥管袋斜坡堤，在堤身一側(cè)或兩側(cè)增設(shè)鎮(zhèn)壓平臺，同時根據(jù)地基淤泥層的厚度，在堤身下設(shè)置一層或幾層統(tǒng)長充泥管袋及加筋處理。

2 圍堤地基加筋處理的設(shè)計要點

2.1 加筋土工織物的破壞形式

在軟土地基上新建充泥管袋圍堤，其破壞形式主要有2 種。一種是圍堤整體滑動破壞，一般發(fā)生在施工期，由于地基土含水量高，土質(zhì)流塑，筑堤時加載速度過快，來不及排水固結(jié)，發(fā)生圓弧滑動破壞；另一種是由于圍堤斷面上部橫向斷面高度不同，荷載分布不同，引起堤身橫向不均勻沉降明顯，堤身中心沉降較大，兩側(cè)較小，當這種不均勻沉降超過圍堤結(jié)構(gòu)允許范圍時，圍堤即發(fā)生不均勻沉降破壞。

當圍堤發(fā)生上述兩種破壞時，堤身加筋土工織物也隨即破壞，但加筋土工織物的破壞主要是受拉破壞，即土工織物受拉延伸，且延伸率超過其最大延伸率，發(fā)生拉伸破壞。

2.2 圍堤加筋處理的抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》及JTJ017—96《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》，對于軟土地基較厚的圍堤抗滑穩(wěn)定計算，應(yīng)考慮圍堤施工時采取分級加荷預(yù)壓，控制加荷速率，且在地基中設(shè)置加筋土工織物。因此，圍堤的抗滑穩(wěn)定計算應(yīng)采用總應(yīng)力法，淤泥層指標采用十字板剪切強度指標。穩(wěn)定分析計算示意圖見圖1。

圖1 穩(wěn)定計算示意圖

穩(wěn)定計算安全系數(shù)K 按下式計算：

式中：PT為各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和；Si為地基土內(nèi)第i 個條塊滑體的抗剪力，不考慮固結(jié)作用；△Si為考慮地基土在圍堤填料的作用下固結(jié)強度提高的抗剪力；Sj為圍堤內(nèi)第j個土條滑體的抗剪力；Pj為當?shù)趈 土條的滑裂面處于圍堤填料內(nèi)，該土條滑裂面與設(shè)置的土工織物相交時，該層土工織物每延米寬的設(shè)計拉力。

公式中的穩(wěn)定計算關(guān)鍵問題是Pj值的確定，根據(jù)JTJ017—96《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，Pj即土工織物的設(shè)計拉力，取土工織物延伸率為10%所對應(yīng)的拉力。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，采用現(xiàn)行的軟基穩(wěn)定分析法，對于加筋與未加筋情況，所得的安全系數(shù)K相差無幾?？紤]土工布產(chǎn)生的抗滑力矩后，K 只提高小數(shù)點后第2 位，與實際施工后堤壩穩(wěn)定性的提高不相符合。根據(jù)實際工程觀測資料分析，土工布拉力值并非為定值，而是沿線變化的。因此，由土工布產(chǎn)生的抗滑力矩與圓弧滑動位置有關(guān)，不同位置其抗滑力矩不同，故計算后會出現(xiàn)K 值提高較少的情況。

經(jīng)過許多工程實踐及查閱相關(guān)資料后得知，堤壩下鋪設(shè)土工布加筋后除了增加土工布的拉力外，還存在另外一種附加力，即土工布與地基土摩阻作用力。穩(wěn)定計算時，將摩阻力作為一種外荷載，作用在堤壩下地基土中，產(chǎn)生附加應(yīng)力，再施加到圓弧滑動的地基土條上，計算得出安全系數(shù)K。附加應(yīng)力的計算通常需要采用有限元方法計算，計算過程過于繁復(fù)，一般設(shè)計者均不便使用。為便于設(shè)計人員方便計算，采用簡單法進行簡化后計算如下：

式中：TCG為土工織物的設(shè)計抗拉強度，kN/m；Ts為土工合成材料的抗拉強度；λc為材料強度綜合修正系數(shù)，土工織物和土工網(wǎng)取3.0；土工格柵取2.0。當按公式計算值大于土工合成材料延伸率為10%對應(yīng)的拉力值時，其設(shè)計抗拉強度應(yīng)取10%對應(yīng)的拉力值；F為土工加筋織物與上下接觸面的摩擦力值，kN/m；fGS為土工織物與土接觸面的摩擦系數(shù)；Le為錨固長度，m；K為調(diào)整系數(shù)，對于土工織物取0.667，對土工格柵和土工網(wǎng)取0.9；φq為土體內(nèi)摩擦角；Fm為錨固安全系數(shù)，對無黏性土取1.5，黏性土取2.0；σ0為作用在土工織物上的壓應(yīng)力，kPa。

2.3 加筋墊層的布置

加筋土工織物通常鋪設(shè)于堤壩底的墊層中，在軟土地基上的斜坡式堤壩，其斷面尺寸一般都較大，堤底寬度也很大，甚至會超過100m。按加筋墊層的尺寸效應(yīng)原理，如此寬的堤底采用全斷面加筋是不合適的。實際工程運用中，并不需要在整個堤底都布滿土工織物，因為整個堤底中有相當一部分是反壓層，其填土高度不大，一般只有2～3m，軟土地基能夠承受而不會失穩(wěn)。因而只要在主堤身下，甚至只在主堤身最高的部分下設(shè)置加筋墊層即可，但需要滿足錨固長度的要求，這樣既滿足承載力和穩(wěn)定性的要求，又能節(jié)省筋材用量，節(jié)省工程投資。

3 工程實例

橫沙促淤圈圍（六期）工程位于橫沙島東側(cè)，共分為四個圍區(qū)，圍堤總長達17.176m。圍堤采用充泥管袋斜坡堤結(jié)構(gòu)。地質(zhì)勘探表明：4#圍區(qū)的北側(cè)堤和東側(cè)堤堤身下表層含有3～6m 厚的淤泥層。地基處理比選了水平加筋和塑料排水板兩種方法，鑒于圍堤灘面在0.0m 高程，塑料排水板若采用水上施工船，由于灘面較高施工困難；若采用陸地施工，需趕潮，施工作業(yè)時間短，對施工工期影響較大。因此，本次圍堤地基處理推薦采用水平加筋和增加鎮(zhèn)壓層法。根據(jù)淤泥層的厚度不同，設(shè)置1～3 層底層堤身統(tǒng)長充泥管袋，管袋采用190g/m2的加筋編織袋，有利于水平向的排水固結(jié)。同時在堤身外側(cè)設(shè)置6m 寬的鎮(zhèn)壓平臺，如圖2 所示。

圖2 圍堤斷面示意圖

圍堤穩(wěn)定計算采用理正巖土軟件計算，并根據(jù)SL435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄M 進行復(fù)核。

選取最危險水位組合工況計算內(nèi)外坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。為了方便比較，兩種計算方法的參數(shù)取值均一致。堤身吹填土的重度γ=18.0kN/m3，C=10kPa，φ=22°，土工織物加筋的抗拉強度Ts=65kN/m，其余參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告及相關(guān)規(guī)范可得。第一種方法采用理正巖土軟件的有限元分析計算，得出外坡最小K=1.163，內(nèi)坡最小K=1.349。計算圓弧示意圖如圖3 所示。第二種方法根據(jù)簡化公式計算得出土工織物的設(shè)計拉力值 Pj=74.9kN/m，由此計算得出外坡最小K=1.129，內(nèi)坡最小K=1.315?？梢钥闯鲇嬎憬Y(jié)果與軟件分析結(jié)果有些差距，但差距在5%以內(nèi)。同時也可以得出未計入摩擦力時的安全系數(shù)外坡K=1.010，內(nèi)坡最小K=1.157。

圖3 穩(wěn)定計算圓弧示意圖（單位：m）

從計算結(jié)果可以看出，目前的規(guī)范中在計算加筋土工織物時，土工織物加筋的設(shè)計拉力簡單采用延伸率為10%的抗拉強度，未考慮土工織物與上下土層的摩擦力值，計算得出的安全系數(shù)偏小，未能真實反映實際情況。

4 結(jié)語

目前，土工織物加筋墊層在工程中已經(jīng)得到廣泛運用，特別是在軟基上的堤壩（高速公路堤、海堤、港口岸堤等）工程中的應(yīng)用更為廣泛。實踐證明，土工織物加筋不僅能有效地增加地基的穩(wěn)定性，而且還可以減少并均化地基的沉降，同時，還具有造價低廉、施工簡便快速等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍正擴展到更多領(lǐng)域。但是，在加筋墊層的工程運用中還存在不少問題。首先是設(shè)計方法理論研究落后于工程實踐，使得當前的設(shè)計多數(shù)還處于經(jīng)驗階段，施工工程中成功的例子還很難從理論上加以解析；其次是加筋墊層的效果還未得到充分的發(fā)揮，仍有進一步提高加筋效果的空間。

1 沈林杰，陳道信.加筋土工布在海堤圍墾工程基礎(chǔ)處理中的 應(yīng)用.巖土工程界，2006，9（12）：50-54.

2 徐少曼.堤壩下軟基加筋土工織物的允許抗拉強度確定.巖 土工程學(xué)報，1999（2）：247.