加筋土砌块挡墙在临海市平原河道治理中的应用

单式利,包瑛瑛,赵米构

(临海市水利局,浙江 临海 317000)

1 问题的提出

临海市位于浙东中部沿海地区,东濒东海,南连台州市区,西接仙居县,北连三门县、天台县,陆地面积2 203 km2,其中山区、丘陵占2/3以上,为“七山、一水、两分田” 的地貌格局。

临海市自然水系主要属于灵江水系,河道共有2 952条,总长 3 366.2 km,其中县级以下 2 917条,总长2 955.54 km。县级以下小河道集中在中部大田平原片和东部椒北平原,是河道和灌排二用渠道。大田平原和椒北平原是临海市的人口集聚地,又是工业农业中心。因此,对2大平原河道进行治理,是临海市近年来水利建设的重要项目,以促进农业生产,节约灌溉用水,促进社会经济发展。

受传统河道治理观念的约束,临海市平原河道护岸大部份采用浆砌块石、干砌块石挡墙等硬质护岸结构。由于上述2种结构型式用料大,造成对当地的山林资源、生态环境的破坏,也拖延工期,增加施工过程中的不可预测性。传统硬质护岸的大面积使用,使河道的自净能力减弱,不符合当前生态河道建设的要求。另外,受当地岩仓禁采的约束,石料较难购买,也制约了河道治理工程的进展。基于以上原因,临海市平原河道治理工程需要采用省料、省工、生态的的护岸断面方案。加筋土砌块挡墙是一种结合拉筋、砌块的新型护岸结构,具有施工简便、快速,地基处理简便,稳定性好,生态的优点,在平原河道治理应用中具有广泛的前景。

2 作用的机理

加筋土砌块挡墙是利用加筋土技术修建的一种支挡结构物,加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土,它利用拉筋与土之间的摩擦作用,改善土体的变形条件和提高土体的工程性能,从而达到稳定土体的目的。加筋土砌块挡墙由填料、拉筋及砌块组成。

在加筋土结构中,由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板(砌块),通过墙面板上的拉筋连接件将土压力传递给拉筋,企图将拉筋从土中拉出。而拉筋材料被土压住,于是填土与拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拨出。因此,只要拉筋材料具有足够的强度,并与土产生足够的摩阻力,则加筋的土体就可保持稳定。

3 加筋土砌块挡墙材料与构造设计

加筋砌块挡墙是由填料、拉筋及生态砌块组成,应根据地质等具体条件与设计要求合理选成各部分材料,并进行构造设计。

3.1 填 料

填料是加筋土砌块挡墙的主体材料,要求易于填筑、压实,能与拉筋产生足够的摩擦力,水稳定性好,不含有大量有机物,以免加速拉筋的老化和溶解。填料优先选用具有一定级配、透水性好的砂类土、碎石类土,也可采用黄土、黏性土及工业废渣,但要做好防水、排水设施和确保压实质量。

3.2 拉 筋

拉筋的作用是承受垂直荷载和水平拉力,并与填料产生摩擦力。要求拉筋具有抗拉能力强,延伸率小,蠕弯小,不易产生脆性破坏;与填料之间具有足够的摩擦力;腐蚀和耐久性能好;具有一定的柔性,加工容易,与砌块连接简单;使用寿命长,施工简使。

拉筋的选择与砌块种类、内部稳定休戚相关,影响工程建设占地和投资,宜选用高模量、高黏附性拉筋 (如PP带土工格栅、钢塑土工格栅、拉伸土工格栅),以达到用筋量少、断面开挖量小的目的。

3.3 砌 块

目前,国内市场用于河道中的生态砌块主要有后垂式砌块、荣勋砌块2种形式。

后垂型砌块[1]是美国Anchor公司的技术,称为钻石型砌块。后垂型砌块砌体与拉筋的连接能力由2部分组成:一是拉筋上部的砌块重量所提供的摩擦力,二是塑料插杆提供的抗拔力。由于砌块之间的摩擦力较小,砌体与拉筋的连接能力较小,因此,需要布置较多层的拉筋,同时,还需要增设塑料插杆来提供连接能力。由于采用塑料插杆,且后垂部形成2处直角转折,只能采用织造土工格栅、双向拉伸土工格栅等低模量的拉筋,需要的断面长度较采用高模量拉筋的长,因此断面开挖量大。另外,部分后垂型砌块生产企业取消了塑料插杆,导致砌体与拉筋的连接能力不足,工程应用中安全隐患频发。后垂式砌块结构见图1。

荣勋砌块[2-3]的上斜面、下斜面与平面构成115°以上的角度,被卡压在上下层砌块之间,加筋材料在转弯处也存在115°以上的角度,加筋材料在砌体中形成3处转弯和端部的荣勋结,使得加筋材料被卡压锚固于砌体中,提供较大的卡锁抗拔力和锚固抗拔力[1]。加上加筋材料上部的砌块重量所提供的摩擦力,使得加筋材料与荣勋砌块砌体之间有足够的连接能力。选用荣勋砌块后,可以选用PP带土工格栅、钢塑土工格栅、拉伸土工格栅等高模量、高黏附性拉筋,从而减小断面开挖量,减少占地,节省投资。荣勋砌块结构见图2。

图1 后垂式砌块结构示意图

图2 荣勋砌块结构示意图

4 加筋土砌块挡墙计算方法

4.1 拉筋计算

拉筋计算主要包括拉筋强度和长度计算,根据拉筋的不同种类采用不同的计算方法。当采用钢塑土工格栅、PP带土工格栅、拉伸土工格栅这类抗拉模量高、延伸率低的土工格栅作为拉筋时,加筋土挡土墙的的破裂面属于刚性筋式破裂面,采用应力分析法计算;当采用织造土工格栅、土工织物这类低模量的土工材料作拉筋时,加筋土挡土墙的破裂面属于柔性筋式破裂面,宜采用楔体平衡分析方法。

河道护岸工程线长面广,为减少土地占用,节约投资,宜采用抗拉模量高、延伸率低的土工格栅作为拉筋。下面以应力分析法为代表计算拉筋的长度和强度[4](计算简图见图3)。

图3 加筋土砌块挡墙计算简图(应力分析法)

4.1.1 加筋内部土压力计算

加筋内部土压力计算公式如下:

式中:Ki为加筋体内深度Zi处土压力系数;Kj为静止土压力系数;Ka为主动土压力系数;Zi为第i单元筋带结点至加筋体顶面的垂直距离,m。

4.1.2 拉筋强度计算

拉筋强度计算公式如下:

式中:fk为筋带材料强度标准值。对于土工格栅,为筋带的断裂拉力标准值,kN/m;γ0为结构重要性系数;γQ1为加筋体及墙顶填土主动土压力或附加荷载土压力的分项系数;γR2为拉筋材料抗拉计算调节系数;γf为筋带材料抗拉性能的分项系数;Ti为zi层深度处的筋带所承受的水平拉力,kN;σzi为加筋土填料作用于深度zi处墙面板上的水平土压应力,kPa;σai为车辆(或人群)附加荷载作用于深度 zi处墙面板上的水平土压应力,kPa;σbi为加筋体顶面以上填土重力换算均布土厚所引起的深度zi处墙面板上的水平土压应力,kPa;hb为计算水位以上加筋体高度;γ0为加筋体填料水下容重;zi'为计算水位以下的第i单元筋带结点与计算水位的高差,m;h0为车辆或人群附加荷载换算等代均布土层厚度,m;Lc为加筋体计算时采用的荷载布置宽度,m,取路基全宽;Lci为加筋体深度zi处的荷载扩散宽度,m;hi为加筋体上坡面填土换算等代均布土厚度;sx为筋带结点水平间距,m,取1 m;sy为筋带结点垂直间距,m。

4.1.3 拉筋长度计算

拉筋长度计算公式如下:

式中:Li为第i层筋带在的总长度,m;Lai为第i层筋带在稳定区的有效锚固长度,m;Loi为第i层筋带在活动区长度,m;γR1为筋带抗拔力计算调节系数;f'为料与筋带间的似摩擦系数;bi为结点上的筋带总宽度,m,取1 m;σi为在zi层深度处,作用于筋带上的竖直压应力 ,kPa。

4.2 外部稳定性计算

加筋土砌块挡墙的外部稳定性分析时,把拉筋的末端与砌块之间的填土视为一整体墙,即为加筋体,其验算方法与普通重力式挡墙相似,视加筋体为刚体。根据破坏形式,外部稳定性分析的内容有抗滑稳定性与抗倾覆稳定性验算、地基承载力验算。

5 工程应用

临海市牛头山水库灌区续建配套与节水改造2010年度项目西洋横河改造工程位于临海市东部椒北平原,工程地质除表层粉质黏土层外,第2层为淤泥层,顶埋深1.4～2.0 m,厚度27.0～30.0 m;第3层为粉质黏土层,层顶埋深29.0～31.8 m,厚度 4.5～14.1 m。地基土层物理力学参数见表1。

表1 地基土层主要物理力学参数表

工程设计了2种护岸结构型式:方案1:重力式干砌石挡墙;方案2:加筋土砌块挡墙。

(1)重力式干砌石挡墙:挡墙墙高1.9 m;墙顶宽0.6 m,挡墙内坡为1∶0.1,迎水坡采用1∶0.4;挡墙顶部为 10 cm厚C20混凝土压顶,底板采用30 cm厚C20混凝土,下铺20 cm厚碎石垫层;挡墙内坡铺设1层300g/m2无纺土工布;挡墙后夯填干土。

(2)加筋土砌块挡墙:墙高2 m,面板采用RXP-260-10型荣勋砌块,面板基础采用30 cm厚C20混凝土,下铺20 cm厚碎石垫层;面板设置拉筋与填土连接,拉筋采用单向钢塑土工格栅,共设4层,每层隔0.45 m,拉筋伸入填土长2.1m。

(3)2种方案比较见表2:

表2 河道护岸断面比较表

综合比较,推荐采用方案2进行护岸加固型式。该方案能满足稳定、沉降要求,又能缩短工期,生态性好,是一种较理想的护岸结构。

经计算,最大拉筋总长度为2.03 m,设计采用4层等长的布筋方式,拉筋长度设计采用2.1 m。拉筋最大拉力设计值为37.2 kN/m2,设计采用50 kN/m2单向钢塑土工格栅。加筋土砌块挡墙施工期抗滑稳定安全系数为1.42(施工期允许安全系数为1.3)[5],运行期安全系数为1.48(运行期允许安全系数为1.4),故加筋土砌块挡墙满足抗滑稳定要求。

该工程已完工1 a,没有出现滑动、倾覆等现象,加筋土砌块挡墙运行正常。

6 结 语

加筋土砌块挡墙具有省工省料、施工简便、地基适应能力强、生态性好等优点,值得在平原河道护岸工程中推广应用。

但由于拉筋在土中随着时间推移,有老化的可能,这时砌块抗拒外力的能力减弱。此时挡墙的稳定主要靠土体本身的自立作用,因此,不宜在流速较快,波浪冲击大的河道使用加筋土砌块挡墙。

[1]江小辉,朱贤良.砌块加筋土挡土墙选用砌块和加筋材料应当注意的匹配关系 [J].建筑技术,2009(9):853-855.

[2]汪荣勋.荣勋砌块(RXP)及其挡土墙 [J].建筑砌块与砌块建筑,2005(5):51-55.

[3]章晓桦,孙从炎.生态柔性挡墙现场检测及其结果分析[J].新型建筑材料,2005(11):50-52.

[4]中华人民共和国交通部.JTG D30—2004公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5]中华人民共和国水利部.SL 379—2007水工挡土墙设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2007.