生態(tài)擋墻在張家浜河道整治中的應(yīng)用

陳朝然，牌衛(wèi)衛(wèi)，盧永華，宋剛練

(上海市地礦建設(shè)有限責(zé)任公司，上海 200000)

0 引言

張家浜河道主要存在的問題是河床淤泥嚴重，局部區(qū)域坍塌嚴重，結(jié)合生態(tài)理念及張家浜河道的定位，從設(shè)計的角度采用生態(tài)擋墻進行河道護岸施工。目前，護岸形式主要有漿砌石擋墻、格賓石籠、混凝土擋墻、自嵌式植生擋墻等。漿砌石擋墻、格賓石籠、混凝土擋墻、自嵌式植生擋墻的生態(tài)效果差，不能滿足張家浜河道對生態(tài)理念的要求。生態(tài)擋墻的優(yōu)勢在于生態(tài)砌塊具有自擋土、自擋水的優(yōu)勢，自卡鎖、自定位，人性化構(gòu)造便于溺水攀爬自救，施工簡潔快速[1-3]。

目前生態(tài)擋墻護岸運用較多的是采用土工格柵，由于土工格柵具有抗拉強度高、柔性好的特點，同時填料顆粒與土工格柵之間有良好的摩擦特性和嵌固特性，而鋼塑格柵較一般傳統(tǒng)意義上的聚合物合成材料制作而成的格柵強度更高、摩擦系數(shù)更大、施工更加方便以及有效避免施工過程由于機具碾壓造成的損壞，以它作為邊坡支護的加筋材料植入土中，可以有效減小邊坡土體的側(cè)向擠出和豎向不均勻沉降變形[4-7]。此外，土工格柵加筋土擋墻屬于柔性擋墻，可有效約束路堤的變形，充分利用現(xiàn)場土料，建造成本較低且造型美觀，從而受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。謝婉麗[8]分析黃土地區(qū)高填方加筋土路堤變形與穩(wěn)定性，并提出了防治高填方加筋土路堤破壞的相關(guān)措施。在加筋結(jié)構(gòu)受力參數(shù)計算方面，不少專家學(xué)者提出相關(guān)研究成果。王家全等[9]和藍日彥等[10]分別進行了相關(guān)室內(nèi)試驗獲取筋材與土體的界面參數(shù)及筋材與面板的強度參數(shù)。結(jié)合加筋工程的現(xiàn)場試驗結(jié)果，王家全等[11]和劉澤等[12]分別提出了加筋高填方的變形規(guī)律及加筋格賓擋土墻土壓力、加筋體側(cè)向變形的分布規(guī)律。王賀等[13]通過室內(nèi)試驗研究了模塊面板式格柵加筋土擋墻墻面水平變形和墻頂豎向沉降以及墻體內(nèi)垂直和水平土壓力、附加應(yīng)力擴散角、側(cè)向土壓力系數(shù)、土工格柵拉伸應(yīng)變等分布規(guī)律。Benjamim 等[14]進行8種不同形式的土工布加筋土擋墻模型試驗，擬合出了加筋土擋墻潛在破裂面的位置，這與k剛度系數(shù)法預(yù)測的筋材的最大抗拉強度具有較高的協(xié)調(diào)性。Yang等[15]通過分析贛龍線鐵路現(xiàn)澆混凝土剛性面層加筋土擋墻施工過程的面板水平變形，發(fā)現(xiàn)施工前后擋墻的最大側(cè)向位移變化差別很大。

1 工程概況

本項目位于上海市青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)，涉及練塘鎮(zhèn)內(nèi)東莊、徐練、張聯(lián)、蒸浦村、蘆潼村、蒸夏村等6個行政村，總面積為1018.8公頃，建設(shè)規(guī)模為624.79公頃。項目區(qū)東至青松港，南至大蒸港，西至俞匯塘，北至張家浜路和老松蒸公路。本項目河道整治工程主要集中在張家浜河道以及新開挖河道兩側(cè)。張家浜河道主要是淤泥質(zhì)黏土，部分區(qū)域坍塌嚴重導(dǎo)致電桿傾斜。

2 生態(tài)擋墻設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

生態(tài)擋墻方案采用傾斜式擋墻結(jié)構(gòu)形式。頂部采用C25混凝土壓頂，壓頂寬0.5 m，厚度250 mm，墻底設(shè)置C15混凝土基礎(chǔ)，迎水一側(cè)采用生態(tài)擋墻砌塊，后面一側(cè)分層回填土，分層夯實，壓實采用小型蛙夯反復(fù)夯實，夯跡應(yīng)相互搭接，防止漏壓，壓實遍數(shù)根據(jù)試驗測得，最終壓實度應(yīng)大于90%(砂性土相對密度不小于0.65)?；靥钪辆鄬?dǎo)梁頂面10 cm時暫停回填，鋪設(shè)首層土工布。采用仰斜式，與垂直方向成10°傾角。擋墻基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋設(shè)深度確保 ≥ 0.7 m。設(shè)置土工格柵壓頂至地面采用草皮護坡處理。生態(tài)擋墻典型斷面圖見圖1所示。

圖1 生態(tài)擋墻斷面結(jié)構(gòu)圖

2.2 安全穩(wěn)定系數(shù)的選取

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.4，抗傾穩(wěn)定系數(shù)1.5，整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)1.25。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》( JTG D30—2004)，土工格柵抗拔穩(wěn)定性、土工格柵抗拉強度驗算時其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0、荷載分項系數(shù)γQ1、抗拔力計算調(diào)整系數(shù)γR1、抗拉性能的分項系數(shù)γf、抗拉材料抗拉計算的分項系數(shù)γR2(擬用單向土工格柵)取值分別為0.95、1.4、1.4、1.25、2.0。

2.3 設(shè)計計算資料

(1)采用的生態(tài)擋墻砌塊長300 mm，寬260 mm，高150 mm；

(2)土工格柵采用雙向鋼塑土工格柵，抗拉強度Ts≥ 50 kPa，強度較高，格柵表面較粗糙，有利于增強與土體的界面摩擦作用。土工格柵與回填土的界面摩擦系數(shù)f=0.4，土工格柵在砌塊中的總長度取常數(shù)0.3 m；現(xiàn)場采用的土工格柵主要技術(shù)指標見表1；

(3)土工格柵節(jié)點的水平間距SX=1 m；

(4)填料為粉質(zhì)土，容重18.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=22°；

(5)基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)黏土，根據(jù)地質(zhì)資料：容重17.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=13°，承載力特征值[σ0]=20 kPa，基底摩擦系數(shù)為0.2；

(6)生態(tài)擋墻墻體采用梯形斷面計算，布筋土工格柵長見圖1。

表1 雙向鋼塑土工格柵技術(shù)指標

2.4 土工格柵抗拉強度驗算

計算不同深度的土壓力系數(shù)、土壓力及土工格柵拉力等參數(shù)，土工格柵平鋪，故計算按每延長米受力計算，見公式(1)～(4)：

(1)

Ti0=γQ1Ti

(2)

Ti=(∑σEi)SxSy

(3)

∑σEi=σzi+σai+σbi

(4)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；γQ1為荷載分項系數(shù)；γf為土工格柵材料抗拉性能的分項系數(shù)；γR2為抗拉材料抗拉計算的調(diào)節(jié)系數(shù)；Ti0為Zi層深處的土工格柵所受的水平拉力設(shè)計值，kN；fk為土工格柵材料強度標準值，MPa；Ti為在Zi層深處的土工格柵所受的水平拉力；∑σEi為在Zi層深處，面板的水平壓應(yīng)力，kPa；Sx為土工格柵結(jié)點的水平間距；Sy為土工格柵之間距。

對生態(tài)擋墻的各種荷載條件下土工格柵所受拉力計算結(jié)果可知，土工格柵材料標準最大計算值為47.39 kN/m，因此選用雙向鋼塑土工格柵抗拉力Ts=50 kN/m規(guī)格，能夠滿足設(shè)計要求?？估瓘姸扔嬎憬Y(jié)果見表2。

2.5 抗拔穩(wěn)定性驗算

參考《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014)，分別進行擋墻外部穩(wěn)定性驗算和內(nèi)部穩(wěn)定性驗算以及格柵與墻面板的連接強度驗算，確定筋材布設(shè)方式及布設(shè)長度。其中計算破裂面選用折線型的0.3H法。

表2 抗拉強度計算結(jié)果

第i層單位墻長筋材承受的水平拉力Ti計算見公式(5)。

(5)

式中：σvi為第i層筋材所受土的自重應(yīng)力；∑Δσvi為超載引起的垂直附加壓力；σhi為水平附加壓力，計算見公式(6)；Ar為筋材面積覆蓋率，Ar= 1/Shi，格柵鋪滿時取1，Shi為筋材水平間距；Svi為筋材垂直間距；Ta為筋材允許的抗拉強度。

墻后填料的自重作用下的水平壓應(yīng)力Δσhi：

Δσhi=KiγiZi

(6)

式中：γi為填土層土體重度；Zi為第i層填土至擋墻頂面垂直距離，m；Ki為加筋土擋墻內(nèi)部Zi處土壓力系數(shù)，計算見公式(7)、(8)。

12584Zi≤6 m時，

(7)

Zi>6 m時，

Ki=Ka

(8)

式中：K0為填土的靜止土壓力系數(shù)，K0=1-sinθ；Ka為填土主動土壓力系數(shù)，計算見公式(9)。

(9)

式中：θ為填土內(nèi)摩擦角。

抗拔穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3。

表3 抗拔穩(wěn)定性計算結(jié)果表

從圖1及表3可見，經(jīng)過生態(tài)擋墻抗拔力及長度計算，筋材布置分為三段：從擋墻頂面向下，第一段每層格柵間距為0.5 m，共5層，入土長度為6 m；第二段每層格柵間距為0.5 m，共4層，入土長度為4 m；第三段每層格柵間距為0.3 m，共5層，入土長度為3.5 m。設(shè)計的土工格柵總長度均大于計算所得的土工格柵總長度值，滿足規(guī)范要求。

3 生態(tài)擋墻施工

3.1 工藝流程

為了節(jié)約成本，本項目生態(tài)擋墻砌塊護岸長度為2500 m，共需要砌塊65 000塊，廠家定制價格為22元/塊，施工班組預(yù)制綜合單價為17元/塊，共可節(jié)約成本32.5萬元。為了預(yù)制生態(tài)擋墻砌塊，首先根據(jù)設(shè)計尺寸要求，安排廠家定制500套砌塊模具。按照設(shè)計要求生態(tài)擋墻砌塊的強度為C30混凝土，因此施工班組按照C30的配合比進行試塊的制作。具體的施工流程圖見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 首層土工布施工

對導(dǎo)梁頂面進行清掃后鋪設(shè)首層返濾土工布，按照設(shè)計要求將墻后土工布緊貼于導(dǎo)梁頂面后緣處并沿墻后豎向壓貼10 cm，導(dǎo)梁頂面橫向預(yù)留50 cm寬土工布以備反卷至首層填土頂部。

3.3 墻后填土及土工布反折

回填材料、壓實度要求同導(dǎo)梁后方填土要求，需要注意的是距離墻前1 m范圍內(nèi)應(yīng)避免夯機振動對互嵌擋墻造成影響，必要時換用平板夯?；靥钪翆?dǎo)梁頂面時，回填土前端距互嵌型生態(tài)砌塊擋墻后立面300 mm處為坡腳呈22°放坡，以保證返濾層厚度滿足設(shè)計要求。回填并夯實至首層砌塊頂部時，將之前預(yù)留的首層土工布拉緊返折于墻后回填土頂部。

3.4 首層生態(tài)砌塊砌筑

砌塊采用汽車式起重機分批吊運至導(dǎo)梁上。首層互嵌砌塊的擺砌非常重要，在導(dǎo)梁上砌筑首層生態(tài)砌塊前必須對導(dǎo)梁頂面進行清掃以保證首層砌塊基礎(chǔ)平整度并保證砌塊與導(dǎo)梁頂面完整接觸，否則將影響上層砌塊穩(wěn)定，同時對該列砌塊高程將產(chǎn)生影響。首層生態(tài)砌塊相鄰兩列采用不同型號、厚度砌體砌筑，即擺砌一塊輔助砌塊，沿墻縱向擺砌一塊主砌塊。需要注意的是，砌塊擺放時，應(yīng)將輔助砌塊擺放在前，將輔助砌塊頂板外面緊貼于導(dǎo)梁凸起的內(nèi)壁，之后將主砌塊翼板頂面與輔助砌塊的翼板底面相貼。每個節(jié)段(10 m)擋墻首層砌塊鋪設(shè)完成后均需要對砌體做縱向平直度和平面水平度檢查，要求該兩方向的尺寸偏差均應(yīng)不大于2 cm/2 m。

3.5 土工格柵施工

土工格柵首部與待施工的上層生態(tài)砌塊頂板表面齊平，鋪設(shè)方向由砌塊擋墻方向向墻后填土方向進行。鋪設(shè)時，互嵌砌塊頂面鋪設(shè)完畢立即插入U型釘，之后拉緊格柵向后平鋪，鋪設(shè)要平整、盡量張緊，不得產(chǎn)生褶皺，格柵總寬度為2 m，尾端用U型釘釘入已壓實的填土中。圖3為土工格柵與生態(tài)砌塊擋墻連接圖，圖4為張家浜生態(tài)擋墻護岸治理后。

圖3 土工格柵與生態(tài)砌塊擋墻連接圖

圖4 張家浜生態(tài)擋墻護岸治理后

4 生態(tài)擋墻施工完成后穩(wěn)定校核

4.1 整體抗滑性能驗算

生態(tài)擋墻的斷面形式見圖2，土壓力采用庫侖主動土壓力公式，運行“理正擋土墻計算程序”進行相關(guān)穩(wěn)定計算，計算結(jié)果見表4。

表4 生態(tài)擋墻穩(wěn)定計算表

由表4可見，在不同工況的條件下設(shè)計的生態(tài)擋墻抗滑、抗傾、地基承載力和設(shè)計斷面的整體穩(wěn)定均可滿足規(guī)范要求。

4.2 測點布設(shè)及監(jiān)測

在生態(tài)擋墻的頂部布置8個觀測點(D9～D16)，在張家浜生態(tài)擋墻護岸施工結(jié)束時，同時測量各個布置觀測點的垂直位移曲線以及水平位移曲線，圖5和圖6分別是擋墻頂部各測點的水平位移曲線和垂直位移曲線。由圖5可見，有三個觀測點的水平位移在100 h后有超過8 mm的位移變量，隨后在200 h的時候有短暫的增加量，基本穩(wěn)定在10 mm左右，最大水平位移發(fā)生在D10點，最大值為15 mm。其余三個點水平位移在100 h后只有3 mm的位移，500 h后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，水平位移穩(wěn)定在5 mm左右。由圖6可見，生態(tài)擋墻護岸垂直位移觀測點，大部分測點在施工結(jié)束后100 h變化曲線趨于平緩，只有D16點的垂直位移變化量最大，達到3 mm左右，且在200 h以后，D16點的垂直位移才趨于收斂。

圖5 擋墻水平位移曲線

根據(jù)擋墻護岸施工結(jié)束后長期觀測結(jié)果，無論是水平位移還是垂直位移，生態(tài)擋墻頂部的位移變形均不大。擋墻頂部的垂直位移遠小于水平位移，最大垂直位移為3 mm，發(fā)生在測點D16；而水平位移最大值為15 mm，發(fā)生在測點D10。通過現(xiàn)場觀察主要原因是開挖時D10點的附近有輸水管道通過，在D10點附近現(xiàn)場進行木樁支護，將位移量降到最小。

圖6 擋墻垂直位移曲線

5 結(jié)論

本文通過設(shè)計生態(tài)擋墻對張家浜河道護岸進行治理，現(xiàn)場按照設(shè)計施工，穩(wěn)定了河道河岸護坡，生態(tài)環(huán)境得到了改善。經(jīng)過生態(tài)擋墻穩(wěn)定校核及頂部位移觀測，將坍塌嚴重護岸區(qū)域的頂部垂直位移及水平位移的變化量降到最低。擋墻頂部的垂直位移遠小于水平位移，最大垂直位移為3 mm，而水平位移最大值為15 mm。

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