土工材料在堤防加固地基的應(yīng)用特性及施工質(zhì)量控制

張智明

(肇慶市高要區(qū)新橋鎮(zhèn)農(nóng)林水綜合服務(wù)站，廣東 肇慶 526000)

0 引 言

過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間下，堤防工程的建設(shè)和改造加固都由于受物質(zhì)材料本身?xiàng)l件所限，往往在建設(shè)和搶險(xiǎn)工程中使用的基本都是諸如土料、石料、木材等等天然建筑材料[1]。隨著后來(lái)鋼材和混凝土地廣泛應(yīng)用，極大地提升了堤防的工程的強(qiáng)度和耐久度。當(dāng)前，新材料的出現(xiàn)和逐步推廣使用為水利工程建設(shè)提供了新的解決問(wèn)題的方法和途徑。特別是在堤防工程中廣泛地應(yīng)用一些新型土工合成材料、復(fù)合材料，例如模袋混凝土取代過(guò)去的漿砌石護(hù)坡和拋石護(hù)坡、鋼筋石籠被土工拋石網(wǎng)籠取代、格網(wǎng)石籠護(hù)岸[2]等等。

土工合成材料目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在水工建設(shè)中，土工合成材料用能夠增強(qiáng)改良軟土地基承載力的優(yōu)勢(shì)作用，可以用來(lái)作為加固材料加固施工平臺(tái)兼做垂直方向的排水層。地基軟弱土層能夠加固固結(jié)在使用預(yù)制垂直排水管時(shí)，并且具有更好的流動(dòng)性相比傳統(tǒng)排水渠[3]。而在堤防工程中最經(jīng)常被廣泛應(yīng)用的就是用土工合成材料用來(lái)加固地基，快速提升其穩(wěn)定性，加筋層不僅節(jié)約了充填的材料，節(jié)省了施工時(shí)間，并且極大的增強(qiáng)堤壩下部土體的穩(wěn)定性。

當(dāng)然，目前針對(duì)加筋能否提升堤防工程的抗滑穩(wěn)定性仍還存在有一定的異議。異見(jiàn)者普遍在用圓弧滑動(dòng)法在對(duì)其穩(wěn)定性分析時(shí)，認(rèn)為加筋增強(qiáng)抗滑穩(wěn)定性主要是由于筋材在承受拉力后增加了抗滑力矩，提升作用≤2%，影響有限[4]。而支持者普遍在綜合了現(xiàn)場(chǎng)堆載破壞實(shí)驗(yàn)和有限元分析筋材與土的復(fù)合作用，最大能夠提升30%的作用。

文章以廣東某江干流某堤防段的治理工程為例，針對(duì)部分滑移或損毀段需加固或重建段堤防，對(duì)其下伏軟弱地基層使用復(fù)合加筋土進(jìn)行處理，對(duì)在不同工況下甚至極限穩(wěn)定下不同筋材的受力性狀和對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定性的影響情況進(jìn)行分析，建立Plaxis有限元模擬分析，并且對(duì)筋材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比，施工過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行把控，論證了加筋土處理軟土堤防地基的有效作用，以期為類似的軟土地區(qū)堤防工程的地基處理提供了類似的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 水文條件

該河流流域東西寬136.5km，南北長(zhǎng)172km，干流全長(zhǎng)307km，流域集水面積為14061km2，該河流在全市境內(nèi)有集雨面積10424km2，河長(zhǎng)270km，平均坡降0.4‰。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程目前堤基土主要為:①層第四系人工填土層(Q4ml)-素填土，主要由黏性土、少量砂礫和碎石等組成，土質(zhì)不均勻。平均層厚3.5m；②層第四系沖積層(Qal)，由粉粒和黏粒組成，含少量砂礫，干強(qiáng)度中等，韌性中等，巖芯呈土柱狀，平均3.8m；③中粗砂，主要由粗砂、中砂組成，含少量粉細(xì)砂和黏粒，分選較差，平均3.5m；④粉質(zhì)黏土，巖芯呈土柱狀，含粉粒和黏粒，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面較平整，平均12.50m，總體地基土質(zhì)量分布不均勻，土質(zhì)較差，地基土需要處理。

1.3 工程設(shè)計(jì)

該河流地處廣東省東北部，屬于某大河上游，是粵東丘陵地帶的一部分。本次治理段堤防設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)均取20a一遇，20a一遇起退水位為102.64m。

堤防的布置的導(dǎo)線與既有的河岸導(dǎo)致布置基本一致，加固時(shí)需要重新建堤頂?shù)幕炷恋缆?，?duì)堤壩的前后坡面進(jìn)行加高培厚。由于部分重建開(kāi)挖過(guò)程回填的土方過(guò)大，重建部分水泥路使得投資量增加，并且該段的現(xiàn)狀堤頂和設(shè)計(jì)堤頂?shù)母叱滔嗖畈淮?。所以將損毀段的防治導(dǎo)線外移5m作為該段的防治導(dǎo)線，加寬堤頂至5m進(jìn)行前坡的培厚，部分堤段堤頂高程和堤頂?shù)乃嗦愤M(jìn)行保留。重建段的堤頂路采用原堤頂?shù)乃嗦访鏄?biāo)準(zhǔn)，防浪墻高度0.5～1.2m，采用C25混凝土路面厚200mm。堤后為房子，堤前灘地較窄，長(zhǎng)0.8km。保持堤頂高程不變，維持現(xiàn)狀混凝土路面。堤內(nèi)使用海砂回填對(duì)坡進(jìn)行培厚。堤頂背水側(cè)新建0.7m寬，凈尺寸為0.40m×0.40m的排水溝，增柵格蓋板在其頂部。堤外坡護(hù)岸與原護(hù)坡相同，增設(shè)C25的混凝土固腳在護(hù)岸擋墻外側(cè)5m的地方。典型堤防斷面圖，見(jiàn)圖1。

圖1 典型斷面圖

對(duì)滑移傾倒重建段的堤防處軟土地基使用土工格柵和塑料排水板進(jìn)行復(fù)合加筋處理。選用的筋材為某公司研發(fā)的聚丙烯單向土工格柵(TGDG130)，該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)測(cè)算其拉伸強(qiáng)度為130kN/m，在發(fā)生2%、5%的應(yīng)變時(shí)能夠提供的最小應(yīng)力是47kN/m和90kN/m。

1.4 軟土地基加筋基本規(guī)定

依據(jù)巖土工程測(cè)試結(jié)果和堤防路堤的經(jīng)驗(yàn)，將堤防工程分為三級(jí)。Ⅰ級(jí)堤防是臨近重要構(gòu)筑物的軟土地基，例如橋梁、重要管線等重要構(gòu)筑物；II級(jí)堤防是距離構(gòu)筑物稍遠(yuǎn)處的軟土地基，但構(gòu)筑物的高度>3m；Ⅲ級(jí)堤防是距離構(gòu)筑物較遠(yuǎn)，并且構(gòu)筑物高度≤3m的軟土地基。對(duì)于土工加筋材料對(duì)堤防進(jìn)行抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)加固時(shí)通常有。

(1)

式中：Tref為是拉伸強(qiáng)度加強(qiáng)后值；Tenv為降解環(huán)境產(chǎn)生的折減加固系數(shù)。

規(guī)定fmdfenv≥1.5為Ⅲ級(jí)；fmdfenv≥1.75為II級(jí)；fmdfenv≥2為Ⅰ級(jí)。

其中fmd是減少機(jī)械損傷因素，fenv是因?yàn)榄h(huán)境因素產(chǎn)生的加固退化縮減因子。由于受溫度的因素影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果有不確定性，根據(jù)不同填充材料和加固類型的特征，fmd值從1.1到1.7變化。

2 有限元分析模擬

2.1 有限元分析模型

通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行二維模擬分析，使用Plaxis 2D來(lái)分析計(jì)算。使用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模擬模型的計(jì)算網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖3。設(shè)置模型3～4倍距離為水平方向范圍。底部標(biāo)高為-50m。水平方向邊界固定，設(shè)置為不透水。垂直方向雙向固定，透水層。加載曲線按上圖所示。在模擬計(jì)算中，輸入?yún)?shù)彈性軸向剛度EA來(lái)模擬筋材的抗拉單元，材料的塑性通過(guò)軸向的最大拉力Np來(lái)考慮[6]。通過(guò)設(shè)置界面單元來(lái)模擬土體和土工格柵筋材的相互作用，使用參數(shù)的界面強(qiáng)度折減因子Rinter來(lái)反映兩者之間的互相摩擦作用。模擬斷面網(wǎng)格劃分圖，見(jiàn)圖2。

圖2 模擬斷面網(wǎng)格劃分圖

針對(duì)二維有限元模擬計(jì)算豎向排水體有許多方法，此次主要采用等效砂墻法[7]，調(diào)整土體滲透系數(shù)為相應(yīng)的土體原先D倍，則調(diào)整計(jì)算公式為：

(2)

式中：L為砂墻的等效間距同排水板間距比值，取2～4，此次取2.9，等效砂墻相應(yīng)間距4m；n為井徑比，n= de / dw。則dw是排水板等效直徑，de是等效的排水板影響直徑；s為涂抹比；kax/ks為涂抹區(qū)的土體滲透洗漱比。計(jì)算得D=0.82。

通常一般使用摩爾-庫(kù)倫理想下的彈塑性模型來(lái)建立堤壩地基土體基本模型，計(jì)算模型模擬參數(shù)表如下所示。土工格柵筋材的彈性軸向剛度取值2350kN/m。施工期間使用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。土層參數(shù)表，見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)表

2.2 不同工況計(jì)算分析

計(jì)算結(jié)果對(duì)比了不同工況下筋材的最大應(yīng)變，匯總了不同工況下的筋材最大應(yīng)變量，筋材規(guī)格統(tǒng)一為土工格柵TGDG130，軸向剛度EA取值2350kN/m。 筋材在不同工況下的應(yīng)變對(duì)比表，見(jiàn)表2。

表2 筋材在不同工況下的應(yīng)變對(duì)比表

總結(jié)上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，筋材受力的主要影響因素包括：堤基土的滲透性、堤身材料模量、筋材鋪設(shè)選擇、堤基土模量、堤身荷載等?？傮w來(lái)說(shuō)，堤防工程的荷載越聚集、堤基土的性質(zhì)越差、堤身材料的模量越小、鋪設(shè)的點(diǎn)選擇越低，在其他條件相同時(shí)，筋材提供的拉力包括其應(yīng)變也相應(yīng)越大。

2.3 不同材料對(duì)穩(wěn)定性對(duì)比

通過(guò)建立模擬工況，對(duì)相同拉伸強(qiáng)度的土工編織布和土工格柵使用強(qiáng)度折減法，同時(shí)對(duì)海堤在使用不同拉伸強(qiáng)度下的土工格柵加筋的安全穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行比較。不同筋材安全系數(shù)對(duì)比(強(qiáng)度折減)，見(jiàn)表3。總結(jié)下表，發(fā)現(xiàn)土工格柵比編織土工布的作用大對(duì)提升堤防穩(wěn)定的作用上在相同的極限強(qiáng)度下時(shí)。與此同時(shí)，土工格柵的軸向剛度越大，對(duì)堤防的穩(wěn)定性提升越強(qiáng)。

表3 不同筋材安全系數(shù)對(duì)比(強(qiáng)度折減)

2.4 筋材特性總結(jié)

在堤防的底部地基土進(jìn)行加筋處理可以明顯的降低堤防坡腳處的表層地基土的隆起位移和減小堤防的側(cè)向位移。但是如果將鋪設(shè)兩層加筋層之后，加筋土對(duì)位移的控制效果沒(méi)有非常明顯。

說(shuō)明對(duì)堤基土進(jìn)行加筋處理能夠使得應(yīng)力分布更加均勻，能夠?qū)Φ袒砻嫱梁偷谭雷陨淼耐馏w應(yīng)力產(chǎn)生一定的分散效果，從而也避開(kāi)了堤壩自身出現(xiàn)抗拉或者抗剪出現(xiàn)的塑性破損區(qū)。

在土工格柵作用下堤身出現(xiàn)最大拉應(yīng)力在中部，筋材的受力也會(huì)逐漸均勻隨著加筋層的增加，所受拉力也逐步減小。在有多層加筋層時(shí)，上層的土工格柵受力越均勻越小。

3 筋材對(duì)比和質(zhì)量控制

3.1 筋材經(jīng)濟(jì)和作用效果對(duì)比

當(dāng)前土工材料經(jīng)常使用的筋材包括有兩類，一類是格柵類，主要有聚丙烯單拉伸塑料類、聚乙烯雙拉伸塑料類、塑鋼類、滌綸經(jīng)編類、玻纖類[8]。一類是土工織物類。土工格柵類的極限延展率約3%～10%，而土工織物類可達(dá)16%～35%。

堤防工程地基土的加筋效果的好壞，主要是取決于在對(duì)堤防整體的抗滑穩(wěn)定性作用上。如果以圓弧滑動(dòng)法計(jì)算整體的抗滑穩(wěn)定性，對(duì)比不同筋材在以40kN/m的單寬拉力下的發(fā)揮抗滑移效果，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析同樣抗滑效果下發(fā)現(xiàn)，堤防地基土在使用土工格柵比使用高強(qiáng)度編制土工布節(jié)約造價(jià)經(jīng)濟(jì)可低將近40%。

土工材料的筋材在堤防運(yùn)行正常期間下產(chǎn)生的變形非常有限。即便堤基土處于臨界穩(wěn)定性情況下時(shí)，所產(chǎn)生的最大的臨界變形程度也僅≤5%。

所以筋材的強(qiáng)度往往由于其產(chǎn)生的變形量過(guò)大而導(dǎo)致其不能正常發(fā)揮效果，所以應(yīng)該優(yōu)先選用極限變形滿足工程需要并且軸向剛度大的筋材材料。土工格柵類材料與土工織物類的加筋材料相比更能夠在海堤工程中發(fā)揮作用，由于其極限情況下的應(yīng)變量小、和墊層間的接觸摩擦力很大抗拔能力強(qiáng)、造價(jià)升本也低。土工格柵類筋材，由于塑鋼類的格柵中有鋼絲在海水堤防下埋藏地基土中容易被腐蝕，并且極限延伸率相比極限穩(wěn)定狀態(tài)下的海堤的筋材應(yīng)變較小，所以不適用于河堤的地基土加筋處理。包括經(jīng)編土工格柵個(gè)玻纖土工格柵都會(huì)容易由于河堤的土石料產(chǎn)生損傷。所以在進(jìn)行河堤地基土加筋處理時(shí)，不充分考慮隔離或者反濾作用的話，首選的加筋材料應(yīng)為單向拉伸塑料土工格柵。

3.2 安裝質(zhì)量控制

堤防地基土的土工材料的自身質(zhì)量是決定其防護(hù)效果的的關(guān)鍵。在運(yùn)輸土工筋材材料時(shí)，應(yīng)該避免長(zhǎng)期的暴露暴曬，材料避免破損或污染。進(jìn)場(chǎng)前需要抽檢合格后再投入使用。

應(yīng)該認(rèn)真遵守設(shè)計(jì)規(guī)范和方案來(lái)進(jìn)行鋪膜，首先清理下部墊層中的廢棄雜物，防治雜物損傷土工筋材，還要保證鋪設(shè)的表面土層平整，鋪設(shè)過(guò)程中控制好拉緊程度[9]。處理之外，還要處置好鋪設(shè)間的接縫，特別是土工膜，接縫的處理是保證土工膜發(fā)揮其防滲功能的關(guān)鍵，如果處理不當(dāng)甚至可能導(dǎo)致無(wú)法正常防滲，土工膜漲破，土工膜類織物類的搭接主要通過(guò)黏結(jié)劑，進(jìn)行黏結(jié)前要先對(duì)連接地方進(jìn)行清表處理，使用輥軋技術(shù)在涂抹黏結(jié)劑后對(duì)其進(jìn)行凝結(jié)和固化。如果是土工格柵類使用搭接的連接方式，可以使用“U”形釘將格柵進(jìn)行固定[10]，防止在搭接過(guò)程中筋材的褶皺或者產(chǎn)生扭曲等不利狀態(tài)，同時(shí)為了整體搭接效果，間距上應(yīng)該考慮搭接的寬度應(yīng)該>20m。

4 總 結(jié)

堤防工程的加固技術(shù)往往重視于堤身的防護(hù)與加固，近年來(lái)經(jīng)過(guò)普遍的調(diào)查發(fā)現(xiàn)堤防工程的損壞很多是由于地基土的軟弱持力層較弱導(dǎo)致的。堤防加固也應(yīng)提升到重視地基土的處理上來(lái)。文章著重研究的土工材料加筋土模擬研究，發(fā)現(xiàn)土工材料不僅有環(huán)保經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，而且土工材料能夠使得地基土的應(yīng)力分布比較均勻，提升堤身的應(yīng)力分散，避免應(yīng)力集中塑性破壞。膜類織物可以起到很好的垂直截滲作用優(yōu)勢(shì)，而格柵類在相同極限應(yīng)力下產(chǎn)生應(yīng)變更小，發(fā)揮抗拔能力更強(qiáng)。同時(shí)也總結(jié)了，不同種類筋材在安裝鋪設(shè)時(shí)的質(zhì)量控制原則。同時(shí)文章對(duì)土工材料的防滲性能研究還有不足的地方，在與傳統(tǒng)的灌漿加固地基的對(duì)比研究不足。