钢塑土工格栅在边坡工程中应用案例

陈梓荣

（福建省建筑科学研究院有限责任公司/福建省绿色建筑重点实验室 361006）

0 前言

土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，它以天然或人工合成聚合物（塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强（加固）或保护土体的作用。钢塑土工格栅是以高强钢丝(或其他纤维)，经特殊处理，与聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，并添加其他助剂，通过挤出使之成为复合型高强抗拉条带[1～3]。

目前土工合成材料已经广泛应用于公路、铁路、水利、电力、建筑、海港、采矿等各个领域[4～7]。本文以某边坡的钢塑土工格栅为加筋材料的加筋土挡墙支护结构为例，通过理论计算与竣工完成后监测数据对比分析，验证该材料在边坡工程中的可行性和应用前景。

1 工程概况

该场地周边为农田及果园山坡地。依据本场地建筑设计资料，水厂泵房、滤池、机修间、排泥排水池等设施室外地坪高程7.50m～21.00m(黄海高程，下同)，高于场地周边地面。根据设计要求，边坡总长度约400 多米，高度约0～20m，主要采用局部钢塑土工格栅加筋土挡墙支护形式。

2 场地工程地质

场地原为山坡地，交通较为便利。场地属于剥蚀残丘地貌单元。因建设需要，将对原场地进行开挖、回填平整。现地形东高西低，局部地段场地起伏较大。场地内孔口高程最大值20.72m，最小值1.27m，地表相对最大高差约19m。

根据钻探钻孔揭露，目前本场地内地层结构自上而下依次为：①粉质粘土、②残积砂质粘性土、③全风化花岗岩、④-1砂土状强风化花岗岩、④-2碎块状强风化花岗岩、⑤中风化花岗岩。现将各岩土层的岩性特征分述如下：

①粉质粘土（Q4dl）: 灰黄色、褐黄色，湿，呈可塑状态，主要成份为粘土矿物及少量石英中粗砂组成，局部夹有薄层中粗砂，光泽反应稍有光滑，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。经杆长修正后标贯击数标准值N标准值＝8.5。层厚0.40～4.20m，平均厚度1.89m，层顶高程3.21～20.72m。

②残积砂质粘性土（Qpel）：黄褐色、红褐色，可塑状态，以粘粉粒为主，含粘土结核、铁锰质等，局部含少量角砾。切面较粗糙，稍有光泽，无摇振反应，干强度较高，韧性较好，属中等压缩性土，力学性质随深度增强。经杆长修正后标贯击数N标准值=15.8。层厚0.50m～9.00m，平均厚度3.91m，层顶高程1.27m～15.01m。该层未发现洞穴、临空面及软弱夹层。

③全风化花岗岩（γ53）：灰黄色，坚硬，饱和。风化不均，散体状构造，遇水易软化、崩解。矿物成分主要为石英、长石、云母风化形成的硬颗粒、次生矿物等。具原岩残余结构，属于极软岩，岩体基本质量等级为V级。经杆长修正后标贯击数N标准值=32.8。层厚1.20m～3.80m，平均厚度2.17m，层顶高程-1.88m～17.25m，该层未发现洞穴、临空面及软弱夹层。

④-1砂土状强风化花岗岩（γ53）：灰黄、灰褐色，坚硬，饱和，风化不均。岩芯呈散体砂土状，手捻即碎。该层水稳性差，遇水易软化、崩解。矿物成分主要为石英、长石、云母风化形成的硬颗粒、次生矿物等。具原岩残余结构，属于极软岩，完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。经杆长修正后标贯击数N标准值=50.8。层厚0.50～6.30m，平均厚度2.25m，层顶高程-4.68～15.95。该层未发现洞穴、临空面及软弱夹层。

④-2碎块状强风化花岗岩（γ53）：灰黄，灰白色，坚硬，饱和，风化不均。岩芯呈散体碎块状，中粗粒结构，碎裂状构造，钻进较慢，裂隙发育。矿物成分主要为石英、长石、云母风化形成的硬颗粒、次生矿物等。单轴极限抗压强度换算值标准值为7.75MPa，岩石坚硬程度为软岩，完整程度为破碎～极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层场地内除钻孔BK7 外均有揭示，部分钻孔未揭穿，揭示层厚0.20m～8.20m，平均揭示厚度4.20m，层顶高程-7.15～19.42m。该层未发现洞穴、临空面及软弱夹层。

⑤中风化花岗岩（γ53）：灰黄，灰白色，中粒～中粗粒结构，块状构造，风化裂隙发育，呈短柱状～柱状、少量碎块。矿物成分主要为石英、长石、云母等。RQD 值为40～75，岩体完整程度为较破碎～较完整，单轴极限抗压强度标准值为32.75MPa，岩石坚硬程度等级为较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级。揭示层厚3.00～8.00m，平均揭示层厚5.22m，层顶高程-6.75m～17.92m。

该地区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第三组。

表1 岩土层地基基础设计计算参数

3 边坡设计概况

场地边坡4-4 剖面主要采用加筋土挡墙支护形式，坡顶高程17.9～21.0m，坡脚高程7.5m，采用加筋土挡墙支护，支护形式采用4-4 剖面，长度约134.9m；

筋材铺设：采用GSGS180-50 钢塑土工格栅（代表异形钢塑土工格栅，纵向极限抗拉强度大于180kN/m，横向极限抗拉强度大于50kN/m），阳角区域采用GSGS120-120 土工格栅（代表双向土工格栅，纵向和横向极限抗拉强度大于120kN/m），竖向每隔500mm 铺设一层，回折2m。

排水通道：竖向每隔4m 铺设一层500mm 厚中粗砂排水层，上下各铺一层（≥200g/m2）无纺土工布。

填料要求：采用透水性较好的中风化以上的土石混合填料，最大粒径小于5cm，不允许采用腐殖土、强风化泥岩等填料，分层压实，压实度距离坡面1m 内大于90%，其它部位93%；填料容重大于18.5kN/m3，内摩擦角大于35°。

护面：沿坡面水平距离每隔3m 设置1 道竖梁，尺寸为300m×300mm，采用4C14 配筋，C30 混凝土浇筑；压顶梁采用300m×300mm, 采用4C14 配筋，C30混凝土浇筑.

坡面采用CS 混合纤维植灌法喷播植草，挂2 层14#棱形镀锌钢丝网。

4 挡墙稳定性复核与分析

4.1 加筋材料强度计算

设计应用的材料允许抗拉（拉伸）强度Ta 应根据实测的极限抗拉强度T，通过下列公式计算确定[8～9]：

式子中：

RFCR——材料因蠕变影响的强度折减系数；

RFiD_材料在施工过程中受损伤的强度折减系数；

RFD——材料长期老化影响的强度折减系数；

RF——综合强度折减系数。

以上各折减系数根据现场加筋材料类别、填土情况和工作环境等通过试验测定。蠕变折减系数、施工损伤折减系数、老化折减系数在无实测资料时，综合强度折减系数宜采用2.5～5.0，施工条件差、材料蠕变性大时，综合强度折减系数应采用大值。

根据现场尺寸，炭黑质量、横肋质量等判断和调查，判定该场地GSGS180-50钢塑土工格栅，纵向极限拉伸强度为180kN/m。根据规范规定，设计抗拉强度应考虑施工、蠕变和老化过程中的损伤，因此本工程中考虑强度折减系数为3.5，设计抗拉强度取值为51.4kN/m。

参考《公路路基施工技术规范》JTG F10-2006、《公路路基设计规范》 JTG D30-2015 抗滑移/抗倾覆/内部稳定性/外部整体稳定性/地基承载力验算。

（1）等效荷载计算

挡墙稳定性计算过程中考虑的荷载主要有加筋体重力和加筋体上填土重力。路堤式挡土墙加筋体上填土重力应换算成等代均布土层厚度计算，根据《公路路基设计规范》JTG D30-2015 坡顶荷载按照20kPa 进行计算，填土容重按照19kN/m3来进行计算，综合内摩擦角按照30°参与计算，那么计算后可以得到：

换填土厚度为：

（2）筋材抗拉断稳定性验算

单位加筋土挡墙第i 层单位挡墙长筋材承受的水平拉力Ti应按照下式进行计算：

将坡顶荷载换算为等效均布土层厚度来进行计算:荷载按照20kPa 来进行计算，因此按照4-4 剖面计算，最大高度为13.5m（坡顶高程21.0m，坡脚高程6.5m），最底层的筋材拉力（最大）值为：

水平拉力：T0=(19*13.5+20)*(1/3)×0.5=46kPa

（3）筋材抗拔安全系数计算

筋材抗拔力和抗拔安全系数Fs 的计算公式分别为：

因此可以计算，以4-4 剖面为例，底部筋材长度为14m，底部的筋材的抗拔力为：2×(19*13.5+20)×0.5×1×14=3871kN，远大于水平拉力644kN（以宽度1m计算）。

（4）反包土工格栅筋材长度确定

根据《公路路基设计规范》JTG D30：计算如下：

式子中：

L0——计算拉筋层的水平回折包裹长度（m）；

D——拉筋的上、下层间距（m）；

c——拉筋与填料之间的粘聚力（kPa）；

上述计算可以得到：

13.5 m 高程时反包筋材的长度为：

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

因此本工程设计从下至上反包筋材长度分别为2m 满足长度要求。

4.2 整体稳定性计算

边坡整体稳定性计算采用刚体极限平衡法[10～11]，由于坡体主要为残积土和全风化花岗岩，且全风化花岗岩主要呈土状，可采用圆弧法进行计算。按照地勘报告揭示的场地各岩土层分布情况，采用Slide6.0 版软件进行计算分析边坡现状整体稳定，各岩土层物理力学参数如表1。

边坡整体稳定性分析模型参考设计图纸，各剖面取挡墙最高值作为最不利工况进行计算分析。当坡顶竣工后存在道路荷载时，天然工况、地震工况和饱和下整体稳定性处于稳定状态，满足规范《建筑边坡工程技术规范》GB50330 的要求。

5 监测数据分析

根据现场情况，对本工程进行了边坡坡顶水平位移、坡顶竖向位移和深层土体水平位移监测，其中该区域水平位移监测点3 个（S4～S6），竖向位移监测点3个（J3～J6）和深层土体水平水平位移监测点3 个（CX4～CX6）。监测频率： a、坡顶位移监测2～3 次/周，变形时1 次/天，变形剧烈时每天数次；b、地下位移监测1～2 次/月，变形时1～2 次/周，变形剧烈时1 次/天；c、支护结构应力监测在张拉锁定后头两个月内1 次/周，其后2～3 次/月。运营期间： 原则上1 次/月，变形（或应力）异常、连续降雨、强降雨或台风后等加密监测。

监测时间为2016年8月15日～2018年5月9日，从监测结果来看，边坡坡顶的最大水平位移位于监测点S8 处，水平位移为6.5mm；边坡坡顶沉降最大点位于J4 处，沉降值为7.0mm；深层位移监测结果显示，CX04 深层位移呈现坡顶位移较大，底部位移小的趋势；其中最大位移值分别为15.62 mm、15.26 mm、13.48mm，累计位移未超预警值。

图1 监测结果

6 结论

在本工程钢塑土工格栅加筋土支护剖面中，边坡天然工况、地震工况和饱和工况条件（考虑未来车辆荷载20kN/m）下整体处于稳定状态，满足《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330）要求；同时根据监测结果显示相关指标满足规范要求值。