航道护岸软基处治中土工格栅加筋技术的应用

◎ 乐星华 魏必文 江西省路港工程有限公司

在传统的航道整治工程中，一般通过固结排水、打桩、抛石等软基加固技术，提升护岸地基承载力。但此类技术施工过程复杂、工期长、加固质量较难控制，发生不均匀沉降的可能性大。随着我国航道建设规模的不断扩大，土工格栅软基加固技术逐渐得到应用。该技术主要借助土工格栅和碎石的机械咬合，形成高强度压实体和抗剪切层，此结构层能加速孔隙水消散，排水固结，并能有效抵抗抽吸作用，形成双面排水局面。因缺乏理论依据及可靠的设计方法，该技术在航道护岸整治工程中尚未得到推广普及。基于此，本文依托航道护岸整治工程实例，借助现场试验及室内试验，得出土工格栅加筋材料力学特性及关键施工参数，以指导工程实践。

1.工程概况

某航道过往船舶数量多、吨位大，年承载船舶通过量近5000×104t，上游引航道两侧原为直立式浆砌石驳岸结构，在长期运行过程中因受到水流冲刷、船舶碰撞，基础持续下沉，驳岸破损严重。其中部分驳岸段地基土质不良，驳岸基础位于流塑淤泥质粉质黏土层上。航道管理局决定于2020年底对航道两侧驳岸展开改建，并采用土工格栅加筋技术展开软基加固。

2.土工格栅加筋方案设计

土工格栅加筋结构能较好提升地基承载力，主要原因在于其能将表面竖向静载和活载均匀分散至承载土层，避免不均匀沉降。加筋层厚度、加筋层数、抗拉强度、摩擦特性等均对土工格栅加筋层荷载扩散效果有直接影响[1]。

2.1 加筋层厚度

土工合成材料加筋垫层设计方法并不统一，本文采用承载力计算公式法，在设置2层及以上加筋材料时，按

式中：H为加筋层厚度（m）；γ1为第1层加筋结构承受的土体重度（kN/m³），取18.9kN/m³；Df为土粒与拉筋产生的总摩擦力（kN）；δ为碎石与格栅加筋结构间的摩擦角（°），取33°；β为加筋碎石扩散角（°），取27°；qα为基底应力（kPa），取80kPa；γ2为第2层加筋结构承受的土体重度（kN/m³），取20.0kN/m³；B为土工格栅加筋结构上放置的荷载板宽度（m）；P为荷载板所施加的竖向荷载强度（kPa）。

将相关参数值代入后，得出土工合成材料加筋层厚度H=0.65m，工程实际中取0.70m。即下层为0.20m厚的砂垫层；中间为0.40m厚的包裹式土工格栅，内部填充砂料；上层为0.10m厚的保护层。

2.2 加筋材料选用

根据荷载扩散原理，加筋结构最大拉力产生荷载扩散效果，加筋结构最大拉力[3]按照下式确定：

式中：F为加筋结构最大拉力（kN）；σV作用于格栅上的垂直应力（kN）；其余参数含义同前。经计算，加筋材料最大拉力为8.9kN，也就是材料必须具备的抗拉强度。

工程所在地某建筑材料有限公司提供的土工格网、双向土工格栅沿卷宽向抗拉强度最大值分别为5.81kN/m和20kN/m，按照最大抗拉强度的56%确定长期设计强度，则两种材料长期设计强度为3.2kN/m和11.2kN/m。通过与以上设计过程的比较看出，仅双向土工格栅符合抗拉强度要求，故该航道护岸软基处治工程选择HB0220SAMP型双向土工格栅材料。

3.性能测试及试验

3.1 土工格栅材料特性

为检验土工格栅材料抗剪强度，分别对无土工格栅、铺设2层、铺设3层、铺设4层土工格栅加筋材料的试样展开三轴压缩试验，试验结果显示，以上试样内聚力分别为25.9kPa、30.5kPa、33.2kPa、45.6kPa。考虑到土工格栅结构的整体性特征，其孔网会将周围土体颗粒牢牢联锁嵌固，使格栅与土体之间的摩阻力增强，土体颗粒间接触面积增大，联结强度及抗剪强度均增强。以上作用还会随着加筋层数的增多而增大。

根据土工格栅加筋结构压缩试验结果，无土工格栅、铺设2层、铺设3层、铺设4层土工格栅加筋材料的试样压缩系数依次为0.45MPa-1、0.33MPa-1、0.28MPa-1和0.26MPa-1；压缩模量分别为4.32MPa、5.99MPa、7.10MPa、6.87MPa。可见，增设土工格栅加筋材料后，试样压缩系数明显减小，而压缩模量呈增大趋势，试样抗变形能力提高，承载力增大；铺设2层和3层土工格栅后试样承载力提升明显，而铺设4层土工格栅加筋层后承载力降幅明显下降，与铺设3层加筋层的效果相差不大。

3.2 现场试验

在该航道护岸整治工程0+441～0+459段展开现场试验，该段地面以下为8.0～9.0m厚的淤泥质土，现场土工格栅加筋体试验长度为18.0m，基槽通过挖掘机开挖，预留出20cm厚度由人工开挖至基底高程。将试验段分成长度为6.0m的三段，分别铺设2层、3层和4层土工格栅，并埋设压力传感器以检测地基沉降。按照以上设计加固软基后护岸变形沉降监测结果见表1。

表1 护岸变形沉降监测结果

根据试验结果，地基初期变形较大，随着施工过程的推进，变形沉降减小，地基变形趋于均匀和稳定，说明土工格栅加筋结构的加固效果已经充分显现。随着格栅材料铺设层数的增大，地基沉降变形大幅减小；铺设3层格栅材料的加固效果明显优于2层，并与铺设4层格栅材料的加固效果接近。综合以上分析，该航道护岸软基处治工程应铺设3层土工格栅材料，加固效益较好。

3.3 室内试验

该航道管理局委托省交通厅交通试验中心检测站展开室内荷载试验。试验采用堆载法，以1.0m×1.0m的刚性铁板为承压板，分别按10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、60kPa的荷载分6级加载，每级加载后按照5min的间隔读取沉降值，共读取6次；此后则按照30min的间隔读取；当60min内沉降量降至0.1mm以下时，即展开下一级荷载试验。

从工程现场试验场地取淤泥质软土铺设于模型槽底，并预埋3排监测点；上部铺设砂垫层，预埋5排测点，对砂垫层中铺设3层土工格栅和不铺设土工格栅两种情况展开比较试验。加载前，应预留出足够时间使土体自由压缩稳定，并测读出各测点初始位移。此后每天增加一级荷载，直至加载至10级荷载，再次测读各测点位移。通过磁性支架将测微表固定于承压板，展开各级荷载作用下沉降变形值的测量。根据测量结果（图1），设置3层土工格栅后地基竖向沉降明显小于不设置土工格栅的情况；随着荷载的持续增大，两条沉降曲线之间的差值也增大，并发生明显的分叉和偏离，此后铺设3层土工格栅加筋材料的地基沉降曲线趋于平缓，而不铺设土工格栅加筋材料的地基沉降曲线仍然陡峭。说明格栅加筋结构后期效应明显，且荷载越大，加筋效果越凸显，沉降增幅也减小。

图1 各级荷载下荷载-沉降曲线

各级荷载作用下沉降变形均由弹性变形和塑性变形组成，且弹性变形小于塑性变形。在增设土工格栅加筋材料后，加载曲线与回弹曲线之间的差即为塑性变形，其值明显小于不设置加筋材料的塑性变形[4]。说明格栅加筋材料的设置使地基应力状态发生改变，对软土地基过早进入塑性状态起到较好的阻止作用，并使软土地基抗塑性破坏的能力以及加筋土刚度和延性显著提升，避免了剪切破坏的发生。

图1中两条回弹曲线基本处于平行状态，但铺设3层土工格栅加筋材料的曲线回弹值略大，主要原因在于压力的释放使应变减小，进而使格栅加筋材料抗拉强度相应减小。这种情况基本符合工程实际。

4.土工格栅加筋层施工

4.1 施工准备

根据要求开挖基槽并平整坡底，设置排水。待完成验槽后，铺设砂垫层。砂垫层主要采用含泥量在5%以下的中粗砂，以人工方式将砂料运进基槽，散铺整平后，从两边开始逐次向中间压实填料。

4.2 格栅材料展铺固定

为方便展铺，应将格栅材料缝接加工为铺设块。即选择平整坚实的场地，将格栅卷材展开，按照设计长度裁剪；将两幅同长度格栅并列拉直，幅间留出0.5m长度，通过塑料带绑扎缝接，绑扎点间距为0.15m。此后将裁剪缝接完毕的格栅材料卷起，运至施工现场备用。

将砂垫层平整压实，铺设格栅材料，铺设时必须拉紧铺平，上下层缝接处必须错开0.5m以上的距离。待格栅材料铺设完成后，使用U型钉按1.5m间隔进行固定，保证格栅材料与砂垫层紧密贴合。U型钉长450mm，宽100mm，直径10mm。

4.3 回填填料

按照先两侧端、后中部的次序回填砂料，并整平夯实；从两边开始依次向中间整平夯实。完成砂料回填后回折格栅，回折时前后端必须由人工接紧搭接，再使用U型钉固定。最后铺设上覆保护层，并将顶面找平。

5.应用效果评价

该航道护岸软基处治工程应用土工格栅加筋材料加固是否在技术上可行、经济上适用？必须将其与抛石、打桩等传统技术展开比较。以该航道待处治区域20m长且土质条件为淤泥质粉质黏土的护岸展开分析，该区段地基承载力在65～70kPa之间，土体压缩模量在3.0～5.5MPa之间。不同处治方式下使用效果的比较见表2。

表2 不同处治方式使用效果的比较

综合表中比较结果，土工格栅加筋处治效果与打桩处理效果类似，但造价较低；与抛石相比，造价虽高，但处治效果明显较好。打桩处治方式下工艺相对复杂，工期长，无法保证处治工程及时发挥经济效益和社会效益。综上，该航道护岸软基处治工程采用土工格栅加筋处治技术切实可行。

6.结论

工程应用结果表明，土工格栅加筋结构能显著提升航道护岸软基承载力，加筋材料后期效应显著，荷载越大，加筋效果也越明显。在荷载较小时，砂垫层中铺设2层、3层和4层土工格栅加筋层的加固效果较为接近，而随着荷载的增大，加固效果随加筋层数的增多而增强。根据加固效果，充分考虑技术可行性与经济适用性，该航道护岸软基处治工程最终加铺3层格栅加筋材料，加固效果十分理想。