鋼塑土工格柵在邊坡工程中應(yīng)用案例

陳梓榮

（福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司/福建省綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 361006）

0 前言

土工合成材料是一種新型的巖土工程材料，它以天然或人工合成聚合物（塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)（加固）或保護(hù)土體的作用。鋼塑土工格柵是以高強(qiáng)鋼絲(或其他纖維)，經(jīng)特殊處理，與聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，并添加其他助劑，通過(guò)擠出使之成為復(fù)合型高強(qiáng)抗拉條帶[1～3]。

目前土工合成材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、電力、建筑、海港、采礦等各個(gè)領(lǐng)域[4～7]。本文以某邊坡的鋼塑土工格柵為加筋材料的加筋土擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)理論計(jì)算與竣工完成后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證該材料在邊坡工程中的可行性和應(yīng)用前景。

1 工程概況

該場(chǎng)地周邊為農(nóng)田及果園山坡地。依據(jù)本場(chǎng)地建筑設(shè)計(jì)資料，水廠泵房、濾池、機(jī)修間、排泥排水池等設(shè)施室外地坪高程7.50m～21.00m(黃海高程，下同)，高于場(chǎng)地周邊地面。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，邊坡總長(zhǎng)度約400 多米，高度約0～20m，主要采用局部鋼塑土工格柵加筋土擋墻支護(hù)形式。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)

場(chǎng)地原為山坡地，交通較為便利。場(chǎng)地屬于剝蝕殘丘地貌單元。因建設(shè)需要，將對(duì)原場(chǎng)地進(jìn)行開(kāi)挖、回填平整?，F(xiàn)地形東高西低，局部地段場(chǎng)地起伏較大。場(chǎng)地內(nèi)孔口高程最大值20.72m，最小值1.27m，地表相對(duì)最大高差約19m。

根據(jù)鉆探鉆孔揭露，目前本場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：①粉質(zhì)粘土、②殘積砂質(zhì)粘性土、③全風(fēng)化花崗巖、④-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、④-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑤中風(fēng)化花崗巖?，F(xiàn)將各巖土層的巖性特征分述如下：

①粉質(zhì)粘土（Q4dl）: 灰黃色、褐黃色，濕，呈可塑狀態(tài)，主要成份為粘土礦物及少量石英中粗砂組成，局部夾有薄層中粗砂，光澤反應(yīng)稍有光滑，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。經(jīng)桿長(zhǎng)修正后標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值N標(biāo)準(zhǔn)值＝8.5。層厚0.40～4.20m，平均厚度1.89m，層頂高程3.21～20.72m。

②殘積砂質(zhì)粘性土（Qpel）：黃褐色、紅褐色，可塑狀態(tài)，以粘粉粒為主，含粘土結(jié)核、鐵錳質(zhì)等，局部含少量角礫。切面較粗糙，稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度較高，韌性較好，屬中等壓縮性土，力學(xué)性質(zhì)隨深度增強(qiáng)。經(jīng)桿長(zhǎng)修正后標(biāo)貫擊數(shù)N標(biāo)準(zhǔn)值=15.8。層厚0.50m～9.00m，平均厚度3.91m，層頂高程1.27m～15.01m。該層未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱夾層。

③全風(fēng)化花崗巖（γ53）：灰黃色，堅(jiān)硬，飽和。風(fēng)化不均，散體狀構(gòu)造，遇水易軟化、崩解。礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母風(fēng)化形成的硬顆粒、次生礦物等。具原巖殘余結(jié)構(gòu)，屬于極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。經(jīng)桿長(zhǎng)修正后標(biāo)貫擊數(shù)N標(biāo)準(zhǔn)值=32.8。層厚1.20m～3.80m，平均厚度2.17m，層頂高程-1.88m～17.25m，該層未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱夾層。

④-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（γ53）：灰黃、灰褐色，堅(jiān)硬，飽和，風(fēng)化不均。巖芯呈散體砂土狀，手捻即碎。該層水穩(wěn)性差，遇水易軟化、崩解。礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母風(fēng)化形成的硬顆粒、次生礦物等。具原巖殘余結(jié)構(gòu)，屬于極軟巖，完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。經(jīng)桿長(zhǎng)修正后標(biāo)貫擊數(shù)N標(biāo)準(zhǔn)值=50.8。層厚0.50～6.30m，平均厚度2.25m，層頂高程-4.68～15.95。該層未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱夾層。

④-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（γ53）：灰黃，灰白色，堅(jiān)硬，飽和，風(fēng)化不均。巖芯呈散體碎塊狀，中粗粒結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造，鉆進(jìn)較慢，裂隙發(fā)育。礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母風(fēng)化形成的硬顆粒、次生礦物等。單軸極限抗壓強(qiáng)度換算值標(biāo)準(zhǔn)值為7.75MPa，巖石堅(jiān)硬程度為軟巖，完整程度為破碎～極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。該層場(chǎng)地內(nèi)除鉆孔BK7 外均有揭示，部分鉆孔未揭穿，揭示層厚0.20m～8.20m，平均揭示厚度4.20m，層頂高程-7.15～19.42m。該層未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面及軟弱夾層。

⑤中風(fēng)化花崗巖（γ53）：灰黃，灰白色，中?！写至＝Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育，呈短柱狀～柱狀、少量碎塊。礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母等。RQD 值為40～75，巖體完整程度為較破碎～較完整，單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.75MPa，巖石堅(jiān)硬程度等級(jí)為較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。揭示層厚3.00～8.00m，平均揭示層厚5.22m，層頂高程-6.75m～17.92m。

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

表1 巖土層地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3 邊坡設(shè)計(jì)概況

場(chǎng)地邊坡4-4 剖面主要采用加筋土擋墻支護(hù)形式，坡頂高程17.9～21.0m，坡腳高程7.5m，采用加筋土擋墻支護(hù)，支護(hù)形式采用4-4 剖面，長(zhǎng)度約134.9m；

筋材鋪設(shè)：采用GSGS180-50 鋼塑土工格柵（代表異形鋼塑土工格柵，縱向極限抗拉強(qiáng)度大于180kN/m，橫向極限抗拉強(qiáng)度大于50kN/m），陽(yáng)角區(qū)域采用GSGS120-120 土工格柵（代表雙向土工格柵，縱向和橫向極限抗拉強(qiáng)度大于120kN/m），豎向每隔500mm 鋪設(shè)一層，回折2m。

排水通道：豎向每隔4m 鋪設(shè)一層500mm 厚中粗砂排水層，上下各鋪一層（≥200g/m2）無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>

填料要求：采用透水性較好的中風(fēng)化以上的土石混合填料，最大粒徑小于5cm，不允許采用腐殖土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖等填料，分層壓實(shí)，壓實(shí)度距離坡面1m 內(nèi)大于90%，其它部位93%；填料容重大于18.5kN/m3，內(nèi)摩擦角大于35°。

護(hù)面：沿坡面水平距離每隔3m 設(shè)置1 道豎梁，尺寸為300m×300mm，采用4C14 配筋，C30 混凝土澆筑；壓頂梁采用300m×300mm, 采用4C14 配筋，C30混凝土澆筑.

坡面采用CS 混合纖維植灌法噴播植草，掛2 層14#棱形鍍鋅鋼絲網(wǎng)。

4 擋墻穩(wěn)定性復(fù)核與分析

4.1 加筋材料強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)應(yīng)用的材料允許抗拉（拉伸）強(qiáng)度Ta 應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的極限抗拉強(qiáng)度T，通過(guò)下列公式計(jì)算確定[8～9]：

式子中：

RFCR——材料因蠕變影響的強(qiáng)度折減系數(shù)；

RFiD_材料在施工過(guò)程中受損傷的強(qiáng)度折減系數(shù)；

RFD——材料長(zhǎng)期老化影響的強(qiáng)度折減系數(shù)；

RF——綜合強(qiáng)度折減系數(shù)。

以上各折減系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加筋材料類別、填土情況和工作環(huán)境等通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。蠕變折減系數(shù)、施工損傷折減系數(shù)、老化折減系數(shù)在無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，綜合強(qiáng)度折減系數(shù)宜采用2.5～5.0，施工條件差、材料蠕變性大時(shí)，綜合強(qiáng)度折減系數(shù)應(yīng)采用大值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸，炭黑質(zhì)量、橫肋質(zhì)量等判斷和調(diào)查，判定該場(chǎng)地GSGS180-50鋼塑土工格柵，縱向極限拉伸強(qiáng)度為180kN/m。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度應(yīng)考慮施工、蠕變和老化過(guò)程中的損傷，因此本工程中考慮強(qiáng)度折減系數(shù)為3.5，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度取值為51.4kN/m。

參考《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》JTG F10-2006、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》 JTG D30-2015 抗滑移/抗傾覆/內(nèi)部穩(wěn)定性/外部整體穩(wěn)定性/地基承載力驗(yàn)算。

（1）等效荷載計(jì)算

擋墻穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中考慮的荷載主要有加筋體重力和加筋體上填土重力。路堤式擋土墻加筋體上填土重力應(yīng)換算成等代均布土層厚度計(jì)算，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30-2015 坡頂荷載按照20kPa 進(jìn)行計(jì)算，填土容重按照19kN/m3來(lái)進(jìn)行計(jì)算，綜合內(nèi)摩擦角按照30°參與計(jì)算，那么計(jì)算后可以得到：

換填土厚度為：

（2）筋材抗拉斷穩(wěn)定性驗(yàn)算

單位加筋土擋墻第i 層單位擋墻長(zhǎng)筋材承受的水平拉力Ti應(yīng)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

將坡頂荷載換算為等效均布土層厚度來(lái)進(jìn)行計(jì)算:荷載按照20kPa 來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因此按照4-4 剖面計(jì)算，最大高度為13.5m（坡頂高程21.0m，坡腳高程6.5m），最底層的筋材拉力（最大）值為：

水平拉力：T0=(19*13.5+20)*(1/3)×0.5=46kPa

（3）筋材抗拔安全系數(shù)計(jì)算

筋材抗拔力和抗拔安全系數(shù)Fs 的計(jì)算公式分別為：

因此可以計(jì)算，以4-4 剖面為例，底部筋材長(zhǎng)度為14m，底部的筋材的抗拔力為：2×(19*13.5+20)×0.5×1×14=3871kN，遠(yuǎn)大于水平拉力644kN（以寬度1m計(jì)算）。

（4）反包土工格柵筋材長(zhǎng)度確定

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30：計(jì)算如下：

式子中：

L0——計(jì)算拉筋層的水平回折包裹長(zhǎng)度（m）；

D——拉筋的上、下層間距（m）；

c——拉筋與填料之間的粘聚力（kPa）；

上述計(jì)算可以得到：

13.5 m 高程時(shí)反包筋材的長(zhǎng)度為：

L0=0.5×105.5/（2×（0+19×13.5×tan(0.3*30)））=0.2180

因此本工程設(shè)計(jì)從下至上反包筋材長(zhǎng)度分別為2m 滿足長(zhǎng)度要求。

4.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算采用剛體極限平衡法[10～11]，由于坡體主要為殘積土和全風(fēng)化花崗巖，且全風(fēng)化花崗巖主要呈土狀，可采用圓弧法進(jìn)行計(jì)算。按照地勘報(bào)告揭示的場(chǎng)地各巖土層分布情況，采用Slide6.0 版軟件進(jìn)行計(jì)算分析邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定，各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1。

邊坡整體穩(wěn)定性分析模型參考設(shè)計(jì)圖紙，各剖面取擋墻最高值作為最不利工況進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)坡頂竣工后存在道路荷載時(shí)，天然工況、地震工況和飽和下整體穩(wěn)定性處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330 的要求。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)本工程進(jìn)行了邊坡坡頂水平位移、坡頂豎向位移和深層土體水平位移監(jiān)測(cè)，其中該區(qū)域水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)（S4～S6），豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)（J3～J6）和深層土體水平水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)（CX4～CX6）。監(jiān)測(cè)頻率： a、坡頂位移監(jiān)測(cè)2～3 次/周，變形時(shí)1 次/天，變形劇烈時(shí)每天數(shù)次；b、地下位移監(jiān)測(cè)1～2 次/月，變形時(shí)1～2 次/周，變形劇烈時(shí)1 次/天；c、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)在張拉鎖定后頭兩個(gè)月內(nèi)1 次/周，其后2～3 次/月。運(yùn)營(yíng)期間： 原則上1 次/月，變形（或應(yīng)力）異常、連續(xù)降雨、強(qiáng)降雨或臺(tái)風(fēng)后等加密監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年8月15日～2018年5月9日，從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，邊坡坡頂?shù)淖畲笏轿灰莆挥诒O(jiān)測(cè)點(diǎn)S8 處，水平位移為6.5mm；邊坡坡頂沉降最大點(diǎn)位于J4 處，沉降值為7.0mm；深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，CX04 深層位移呈現(xiàn)坡頂位移較大，底部位移小的趨勢(shì)；其中最大位移值分別為15.62 mm、15.26 mm、13.48mm，累計(jì)位移未超預(yù)警值。

圖1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

在本工程鋼塑土工格柵加筋土支護(hù)剖面中，邊坡天然工況、地震工況和飽和工況條件（考慮未來(lái)車(chē)輛荷載20kN/m）下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330）要求；同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求值。