土工格栅在围堤软土地基处理中的应用

2012-07-02肖志乔程松明

浙江水利科技 2012年2期

肖志乔,程松明

(上海市水利工程设计研究院,上海 200061)

1 问题的提出

随着上海市社会经济的不断发展,土地资源紧缺矛盾日益突出,利用滩涂资源进行人工圈围造地是增加上海市土地供应进行占补平衡的有效手段。但随着全市沿海滩涂多年的开发建设,可供圈围的滩涂资源越来越少。为了加快圈围建设进度,有时采用先促淤后圈围的造地方式,使新建围堤建于沉积仅2～5 a的淤泥质土层上,这给围堤地基处理带来了较大难度。

土工格栅自20世纪60年代末出现以来,在土木工程中得到了广泛应用。土工格栅具有抗拉强度高,延伸率低,与土石结合效果好,耐久性强,施工简便等特点,主要用途是改善土体的工程性能,起到加固和稳定土体的作用[1].。特别是在新近沉积的淤泥质软土上圈围筑堤,土工格栅的应用能有效提高地基的承载力,增加扩散角,控制不均匀沉降[2].。

2 土工格栅作用机理

土工格栅的作用机理在于格栅与土的相互作用,这种相互作用可归纳为3种情况:①格栅表面与土的摩擦作用;②格栅孔眼对土的“锁定”作用;③土对格栅肋的被动阻抗作用。

图1 土工格栅作用机理图

上述3种作用均能充分约束土颗粒侧向位移,从而增加土体的自立稳定性,至于这3种作用在土体中各自发挥的程度将随格栅种类、开孔大小、土颗粒级配等因素而定,土工格栅加筋土可以扩散应力提高地基承载力,限制土体侧向位移。

格栅由于制造中经过了定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向定向排列,加强了分子链接间的联结力,提高了抗拉强度(可较未拉伸前提高5～10倍),而延伸率却只有原板材的10%～15%;土石料在格栅网格内互锁力增高,摩擦系数也显著增大,使得土工格栅在土中的抗拔能力或格栅对土的加固效果明显高于其它加筋构件。由此可见,土工格栅作为加筋材料有比其它土工加筋产品更优良的力学性能。

图2 土工格栅力学性能图

3 围堤加筋计算方法

采用规范公式计算抗滑稳定安全系数,然后计算所需土工格栅数量,再计算考虑土工格栅后的整体稳定。

3.1 土工格栅计算

采用传统的土坡稳定分析圆弧滑动法,求出未加筋海堤边坡的最小抗滑稳定安全系数和相应的滑动力矩、力臂,海堤边坡满足规范要求时的最小抗滑稳定安全系数所需要的总加筋力[3].,见公式(1):

式中:TS为堤坡需要由加筋材料提供的总加筋力(kN/m);FS为未加筋土坡的最小抗滑稳定安全系数;M0为未加筋土坡最小抗滑稳定安全系数时的滑动力矩(kN◦m);d0为未加筋堤坡最小抗滑稳定安全系数时的滑动力臂(m);

根据总加筋力TS,土体的内摩擦角、黏聚力等物理力学指标,结合工程实际拟定所需加筋的围堤范围,初步选定筋材的强度,计算铺设层数[4].,见公式(2):

3.2.2 多元化旅游设施规划旅游设施是整个规划的重点，在当地的建筑元素、自然元素和文化元素等基础上对当地的购物设施、餐饮设施、住宿设施和旅游标识设施等进行不同的打造以满足不同游客的需求。一方面要加强规划引领，深度挖掘地方特色，同时实施规范化管理，提升旅游品牌形象。另一方面可建立产业发展机制，发挥投资机构的特色，创造多元化、多样式和多渠道的投资途径，用于对当地的基础设施、房车营地、高端名宿产品和休闲养生场所等进行开发，促进当地的经济发展。

式中:Ta为加筋材料的容许抗拉强度(kN/m);n为坡高范围内铺设的筋材层数,筋材铺设间距一般为0.3～1.0m。

3.2 稳定验算

抗滑稳定验算采用圆弧滑动法,计算简图见图3。以瑞典条分法为基础并考虑格栅的作用。当格栅受到的拉力为Tsi时,它对土体受力的作用以切向分量 Tsicosθi直接抵抗施加于土体中的剪应力,格栅拉力的法向分量Tsisinθi增加了剪切面上的压应力,从而增加了剪切面上的摩擦反力[4].。

图3 稳定计算简图

设滑动面为AB弧,将AB弧上的土体划分为若干土条,忽略土条两侧的作用力,作用在土条i上的滑动力Ti和抗滑力Fi分别为:

(1)滑动力 Ti=Wisinθi

滑动力矩Msi=Ti◦R

总滑动力矩∑Msi=R∑Ti

(2)抗滑力 Fi=Wicosθitanφ+cili+Tsicosθi+Tsisinθitanφ

抗滑力矩MTi=Fi◦R

滑动土体沿滑动面滑动的安全系数见公式(3):

式中:ci为土条i的单位黏聚力(kPa);li为土条i的弧底长度(m);Wi为土条i的重量(kN);θi为土条i弧段中心点的半径与过圆心点铅垂线之间的夹角(°);φ为填土内摩擦角(°);n为滑动弧面与相交格栅的层数;Tsi为土工格栅的设计拉力(N/m)。

验算时假定多个可能的滑动面,求出相应的抗滑稳定安全系数,再按传统条分法求出最危险滑弧的位置和边坡稳定安全系数的最小值k,当最小的k值不满足规范要求时,通过调整选定土工格栅的材料强度和铺设间距,直到最小的k值满足规范要求为止。

4 工程应用

长江口南岸小沙背圈围工程堤基下除淤泥层和冲填土层外,③3淤泥质粉质黏土层和④淤泥质黏土层分布厚度达13.7～17.1m,地基土层物理力学参数见表1,此2层土天然孔隙比均大于1.0,强度较低,压缩性高,土质不均,施工加载不当易导致滑坡,需进行地基处理,地基处理在一定程度上又会影响工期。因此采用何种地基处理方案,将直接影响工程投资和工期。同时,该工程工期短、施工强度高,施工组织难度大。工程于2007年底开工,2008年4月底之前需达到设计标高,工期较为紧张。

表1 地基土层物理力学参数表

该工程设计2种堤基处理方案:方案1:土工格栅加筋法;方案2:塑料排水板法。

(1)方案1通过在堤基铺设土工格栅,调整地基应力分布,使堤基应力趋向均匀,提高地基土强度和抗滑稳定。该法不能减少围堤工后沉降,但由于土工格栅的作用,可以减少围堤的沉降差。

(2)方案2即在围堤施工前,在堤心地基范围内施打塑料排水板,该法能加快地基土体的排水固结,提高地基土强度,改善围堤的整体稳定性,并在施工期消除大部分沉降,从而减少围堤工后沉降和沉降差,但该法施工工期较长。

(3)2种方案比较见表2。

表2 地基处理方案比较表

综合比较,推荐采用方案1(土工格栅)进行地基处理,该方法既能满足稳定、沉降等要求,工程投资省,又能缩短工期,满足工程供地时间节点的要求。该法的缺点是围堤工后沉降较大,可通过适当加大抛高加以解决。

经过计算,无土工格栅时施工期抗滑稳定安全系数为1.15(1级堤防施工期允许安全系数为1.20),铺设1层土工格栅后施工期抗滑稳定安全系数为1.26,故围堤堤基铺设1层土工格栅即可满足抗滑稳定要求,选用单向拉伸聚丙烯土工格栅TGDG120,每延米拉伸屈服力(kN/m)≥120,屈服伸长率(%)≤10,2%伸长率时的拉伸力(kN/m)≥35,5%伸长率时的拉伸力(kN/m)≥70,尽量宽,以减少搭接损耗量。有关土工格栅的其它要求须满足GB/T 17689—1999《土工合成材料塑料土工格栅》的要求[5].。施工时先清除堤基面层浮泥,然后铺设土工格栅,再实施底层充泥管袋通袋,再实施堤身其它结构。围堤断面见图4。