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)
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。
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。
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)
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)。
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。
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。
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
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。