模袋碎石多級(jí)重力式擋墻在鐵礦棄石場(chǎng)穩(wěn)定中的應(yīng)用

成志榮 譚天憧 印長俊

【摘要】將一種新型模袋碎石多級(jí)重力式擋墻成功用于穩(wěn)定鐵礦棄石堆場(chǎng)。首先通過對(duì)擋墻自身穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性的理論分析，論證了擋墻具有同類毛石擋墻的安全性;然后通過經(jīng)濟(jì)效益比較，確定了這種擋墻比傳統(tǒng)毛石擋墻要節(jié)省造價(jià)45%，提高施工速度4倍，所以能兼顧環(huán)保與經(jīng)濟(jì);最后編制施工方案進(jìn)行施工，通過實(shí)踐證明這種新型擋墻的可行性。

【關(guān)鍵詞】模袋碎石;擋墻;穩(wěn)定;應(yīng)用

模袋砌塊是一種新型的加固土材料，一般來說是用編織袋填充碎石、砂或土等散體材料形成的土工合成塊體，H. Matsuoka[1]稱之為砂袋（soilbags）。模袋碎石（或稱砂袋、袋裝碎石）是模袋砌塊的一種，它的填充材料是碎石， H. Matsuoka[2]用模袋碎石成功砌筑了一堵高4.5m，坡腳75°的重力式擋土墻。模袋砌塊提高了散體材料的強(qiáng)度，將模袋砌塊按一定方式堆積連結(jié)，可用于堤壩填筑[3]、路基加固[4]和擋土墻[5]等工程，具有經(jīng)濟(jì)適用、有利于環(huán)境保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

2010年8月，本文作者受某鐵礦委托利用棄石在山谷中建立一塊地坪以堆放精礦粉。棄石場(chǎng)的材料為選礦后遺留的碎石，可以自然穩(wěn)定，若再施加堆載，就需要借助擋土結(jié)構(gòu)維持其穩(wěn)定性。山谷的高差約20m，若采用混凝土擋墻則造價(jià)昂貴且不便施工，經(jīng)過方案比選，決定就地取材，利用模袋碎石堆砌重力式擋墻。

1、擋墻設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過實(shí)地查勘測(cè)量，決定采用分級(jí)重力式擋墻，每級(jí)擋墻高4.5m，深入每級(jí)地坪0.5m，共5級(jí)。最下面一級(jí)擋墻長約25.8m，采用漿砌毛石;以上4級(jí)擋墻長度逐級(jí)遞減，最上面一級(jí)擋墻長約54.8m，都采用模袋碎石重力式擋墻，共2679.74m3。如圖1所示，擋墻橫截面呈梯形，各級(jí)擋墻上邊寬自下而上依次是2.38m，1.38m，0.88m，0.88m，下邊寬自下而上依次是4m，3.4m，3.4m，3.4m。

如圖2所示，擋墻砌筑材料主要采用模袋碎石，裝袋用編織袋有兩種，當(dāng)?shù)鼗厥盏木垡蚁┎牧希ˋ袋）編織袋，，購買的新編織袋（B袋），其比較見表1，這兩種編織袋性能經(jīng)電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CSS-44020）進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為30mm×200mm，其結(jié)果見表1，模袋碎石的力學(xué)試驗(yàn)等結(jié)果見表1;碎石其最大粒徑約為40mm，重度19kN/m3;砌筑方式為錯(cuò)縫搭接，不得出現(xiàn)通縫，無粘結(jié)砌筑;為增強(qiáng)擋墻的整體性，砌筑時(shí)采取一些構(gòu)造措施，在擋墻中增加了兩層水平構(gòu)造筋，構(gòu)造筋材料采用直徑6mm的鋼筋構(gòu)成縱橫向網(wǎng)格，鋼筋間距500mm，鋼筋網(wǎng)上下有50mm厚水泥砂漿;為保護(hù)模袋不受紫外線和水破壞，在擋墻前表面采用了掛網(wǎng)加M5.0砂漿抹面，掛網(wǎng)與水平鋼筋網(wǎng)相連接;為使擋墻內(nèi)的水正常排出，擋墻中設(shè)置了3層排水管，其水平間距3m，另在最底層擋墻的地基中挖掘了一條截面1m×1m的導(dǎo)流溝，內(nèi)填碎石。

2、模袋碎石的強(qiáng)度分析

H. Matsuoka et al的研究表明，將模袋作為整體，其表觀粘聚力為：

式（1）和式（2）中：cm是模袋表觀粘聚力，cs、φ和kp分別是模袋內(nèi)填充物的粘聚力、內(nèi)摩擦角和被動(dòng)土壓力系數(shù)，H、B分別是模袋的高和寬，T是袋子所受張拉力，當(dāng)外力為零時(shí)，袋體不起作用（T=0）;外力越大， T越大（極限值等于袋子的破壞強(qiáng)度），編制袋的增強(qiáng)效果越明顯，模袋強(qiáng)度越高。同時(shí)土工袋內(nèi)的土顆粒將同時(shí)受到外部應(yīng)力和袋體張力產(chǎn)生的附加應(yīng)力的共同作用，使得土工袋內(nèi)部土顆粒間的接觸力增大，即有效應(yīng)力增加。

在無側(cè)限條件（即σ3=0）下，用碎石（cs=0，Φφ=38°）填充編織袋A、B，土工袋尺寸為75mm×50mm×10mm，則結(jié)合公式（1）和表1中袋子的抗拉強(qiáng)度，并根據(jù)摩爾庫倫理論算得其抗壓強(qiáng)度分別為672kPa和1.02MPa，根據(jù)以前的研究[5]，理論值一般比試驗(yàn)值稍小，因此，用理論值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是偏于安全和保守的。

總的來說，模袋碎石提高了碎石的內(nèi)摩擦角和粘聚力，碎石的休止角約為40°（圖3a），經(jīng)模袋約束后其堆積體的角度可達(dá)75°以上（圖3b），只要模袋耐久性提高，模袋碎石就可作為擋墻砌筑材料使用。

3、擋墻的穩(wěn)定性計(jì)算

模袋碎石擋墻首先要解決的是自身穩(wěn)定問題，其次才是作為重力式擋土墻的穩(wěn)定性問題。

3.1模袋碎石擋墻的自穩(wěn)性分析

模袋碎石擋墻的自穩(wěn)性來源于三個(gè)方面：模袋碎石自身強(qiáng)度、模袋碎石之間的摩擦咬合力、構(gòu)造措施。第一和第三個(gè)方面已沒有問題，所以分析著重于第二個(gè)方面，即模袋碎石的接觸方式和搭接方式。

模袋碎石擋墻的自身失穩(wěn)模式如圖4所示，為簡化計(jì)算，可近似采用平面滑動(dòng)法分析模袋碎石擋墻自身穩(wěn)定，下滑體的穩(wěn)定系數(shù)Fs可按下式計(jì)算：

（3）

其中：

（4）

l=h/sinθ ，（5）

式（3），式（4）和式（5）中：G是下滑體的單位長度重力;θ是滑裂面傾角，θ=45°+φ/2;ω是擋墻正面傾角;γ是模袋碎石的重度;h是擋墻高度;l是滑裂面長度。

由式（3）可知，擋墻自身穩(wěn)定系數(shù)Fs隨著墻高h(yuǎn)和模袋高度H的增大而減小，隨袋體張力T和模袋內(nèi)填充物內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，而與土工袋的寬度的關(guān)系不大。

我國規(guī)范[6]規(guī)定Fs不小于1.3。當(dāng)傾角ω為90°時(shí)，最大理論穩(wěn)定高度hmax（Fs≥1.3）可達(dá)40m以上。因此，本方案中擋墻高度4.5m，其自身穩(wěn)定性肯定能滿足要求，同時(shí)模袋碎石錯(cuò)縫搭接也提高了擋墻整體穩(wěn)定性，擋墻的實(shí)際穩(wěn)定效果應(yīng)該更好，這也為用模袋碎石砌筑擋墻提供了理論基礎(chǔ)。

3.2模袋碎石擋墻的整體穩(wěn)定性分析

當(dāng)模袋碎石擋墻的自穩(wěn)性滿足要求后，就可作為重力式擋墻來計(jì)算其整體穩(wěn)定性。擋墻穩(wěn)定性主要計(jì)算內(nèi)容包括抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算;第1級(jí)擋墻下地基為微風(fēng)化巖石，能滿足地基承載力要求。根據(jù)工程需要在第5級(jí)擋墻后的地坪堆積精礦粉，計(jì)算第5級(jí)擋墻穩(wěn)定性時(shí)地坪上的超載取q=76kN/m2，圖1中各級(jí)擋墻的穩(wěn)定性計(jì)算見表2。

4、模袋碎石擋墻的施工過程和經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1施工過程

模袋碎石擋墻的施工流程如圖5所示：

整個(gè)施工流程中，有幾個(gè)工序需要注意：（1）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模袋碎石制作時(shí)，充填度宜為75%～80%時(shí)，這是袋體較飽滿，模袋不至于被刺破或撕裂，并可發(fā)揮較好的性能。（2）模袋碎石要分層砌筑，錯(cuò)峰搭接，每砌筑一層用平板振動(dòng)機(jī)振實(shí)，這樣可增強(qiáng)模袋碎石的粘聚力和袋間的接觸力（圖6）。（3）墻后碎石也要分層振實(shí)，這樣才能為下一級(jí)擋墻提供足夠的地基承載力并減少其沉降。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

擋墻施工過程簡單高效，經(jīng)濟(jì)適用?，F(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)表明，1m3需模袋29個(gè)，工程施工速度約為3.23 m3/工日，直接為133元/m3。而對(duì)于毛石砌塊擋墻，工程施工速度約為0.76 m3/工日，直接為242元/m3。綜上比較可知：在造價(jià)方面，模袋碎石擋墻比毛石擋墻可節(jié)約大概45%，在施工進(jìn)度方面，前者比后者快約4倍，而兩者使用的人力大致相當(dāng)，若場(chǎng)地允許，使用機(jī)械生產(chǎn)模袋碎塊，則施工進(jìn)度更快。

5、結(jié)論與展望

由于鐵礦的產(chǎn)量波動(dòng)，碎石不能保證及時(shí)供應(yīng)，施工工期歷時(shí)1年半，期間停工累計(jì)9個(gè)月。在施工過程中，我們擋墻的沉降變形進(jìn)行了多次觀察，除了因差異沉降產(chǎn)生裂縫外，沒有其它失穩(wěn)現(xiàn)象;裂縫經(jīng)修補(bǔ)后，大部分裂縫趨于穩(wěn)定（圖7）。另外，工地所在縣年降雨量1435mm，雨后經(jīng)常偶山體滑坡，本工程施工期間經(jīng)受了2011年6月和2012年7月的暴雨藍(lán)色預(yù)警，擋墻穩(wěn)定，排水通暢。

擋墻竣工后的最終驗(yàn)方是2676.74m3，由于碎石不計(jì)造價(jià)，總造價(jià)26萬元，單價(jià)97.1元/ m3，比預(yù)算還節(jié)省了27%;最終擴(kuò)建的有效地坪面積約960m2，完全能夠滿足使用要求。

總的來說，模袋碎石擋墻不僅能有效穩(wěn)定棄石場(chǎng)碎石，還能為鐵礦提供精礦粉的堆場(chǎng)，既合理利用了棄石又比同類擋墻造價(jià)低廉，兼顧了環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣。今后的研究方向?qū)⒍ㄎ辉谀４槭a(chǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)和施工工法的細(xì)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]H. Matsuoka， S-L. Liu. A new earth reinforcement method using soilbags[M]. London， UK， 2006.

[2]松崗元.土力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). SL/T 225-98水利水電工程土木合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JTG/T D32-2012公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.2012

[5]王瑞，馬石城，王寶峰.編織袋袋裝水泥紅土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué).2008，24（3）： 32-35

[6]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2002

作者簡介：

成志榮（1967.01-），湖南湘鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事設(shè)計(jì)管理及房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。