玻璃纖維經編復合土工布加筋層在連云港淤泥地基筑堤的應用

蔡輝，李增勇，沈雪松，馬興華，劉曉暉

（1.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇　連云港　222042；2.連云港市港口管理局，江蘇　連云港　222042；3.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海　200120）

玻璃纖維經編復合土工布加筋層在連云港淤泥地基筑堤的應用

蔡輝1，李增勇2，沈雪松1，馬興華3，劉曉暉3

（1.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042；2.連云港市港口管理局，江蘇連云港222042；3.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

玻璃纖維經編復合土工布加筋層強度很高、延伸率很小，被廣泛應用于公路路面裂縫防治，但應用于淤泥地基上筑堤工程尚不多見。本次依托連云港港30萬噸級航道徐圩港區航道配套的圍堤工程，開展了玻璃纖維經編復合土工布在淤泥地基袋裝砂斜坡堤應用的專項研究，通過材料研制、現場應用試驗及原型觀測、總結，初步解決了玻璃纖維經編復合土工布在淤泥地基袋裝砂斜坡堤應用的技術問題。

玻璃纖維；玻纖布；淤泥地基；袋裝砂斜坡堤

0　引言

連云港地理位置優越，是連接東西南北的紐帶，加快連云港港建設對帶動江蘇沿海經濟乃至我國中、西部區域經濟協調發展意義重大。

連云港地區近岸灘地表層屬于海相沉積，基本為淤泥，厚度8～20 m不等，含水量65%～80%，強度低，土質差，下臥土層基本為老黏土，承載力高。

袋裝砂筑堤技術自20世紀80年代成功應用以來，設計施工技術已十分成熟，已被廣泛應用于長江、沿海地區的水運、水利行業的堤壩工程領域，取得了良好的經濟和社會效益。近年來，為適應軟土地基、大風浪條件、深水條件，袋裝砂筑堤技術也得到不斷發展，已開發出復合土工充填袋、排水砂被、加筋砂被（通長砂袋）、機織布充填砂袋等多項專利技術，并成功應用于各項工程。其中加筋砂被（通長砂袋）利用多層土工織物袋的加筋作用，提高圍堤的整體性和穩定性，減小淤泥地基沉降，解決了袋裝砂在淤泥地基應用的穩定問題，但也暴露出圍堤沉降變形較大的問題，究其原因是土工織物的延伸率過大。

為適應淤泥地基筑堤的加筋需要，近年來圍堤工程界開發應用了多種加筋材料，主要有加筋軟體排、土工格柵和加筋充填袋等。玻璃纖維經編復合土工布加筋層強度很高、延伸率很小，被廣泛應用于公路路面裂縫防治，但應用于淤泥地基上筑堤工程尚不多見。初步判斷，該材料對于在淤泥地基上修建袋裝砂斜坡堤具有一定的應用前景[1]。

1　工程概況

結合連云港港30萬噸級航道工程配套圍堤工程建設，本次試驗段選擇在徐圩1號圍堤進行（圖1）。選擇灘面-0.9～1.0 m進行玻璃纖維加筋試驗，同時采用加筋軟體排進行對比，試驗長度520 m，其中采用250 kN/m玻纖布124 m，300 kN/m玻纖布212 m，加筋軟體排184 m。

圖1　1號圍堤試驗段平面布置圖Fig.1　Plane layout of pilot section of dike No.1

為研究玻璃纖維經編復合土工布鋪排船施工工藝，在西護岸北段設置試驗段，試驗段灘面高程-2.0 m，長度80 m，淤泥層厚度16～18 m。

徐圩港區典型地質表層均為淤泥，厚度12.1～21.9 m，下層粉質黏土。

各土層地質物理力學指標見表1。

表1　地質物理力學指標表Table 1　Geological physico-mechanical indices

2　試驗

2.1材料研制

材料研制采用無堿玻璃為原料，不是石油制品，節能環保。專業單位經過多次試驗，成功研制出玻璃纖維經編復合土工布，共有250 kN/m、300 kN/m兩種規格，其中250 kN/m玻纖布采用六經二緯滿穿編織并復合無紡布而成，加筋方向玻璃絲規格為4 000（tex/束）×200（束/m）；300 kN/m玻纖布采用六經二緯滿穿編織并復合無紡布而成，加筋方向玻璃絲規格為4 000（tex/束）×240（束/m）。

玻璃纖維經編復合土工布幅寬4 m，長度可以根據需要定制生產。

經專業單位檢測，結果滿足相關技術要求，見表2。

表2　玻纖布特性表Table 2　Properties of fiberglass geotextile

2.2圍堤結構設計

2.2.1圍堤結構

地基采用排水板+砂被處理，堤身結構采用充填袋和開山石混和結構。頂寬7.0 m，圍堤內、外側標高3.0～4.0 m處設置鎮壓平臺，平臺寬度10～15 m，內坡1∶1.5，外坡上坡1∶1.5，下坡1∶2。外坡采用柵欄板+灌砌塊石護面，采用無紡土工布反濾，護底采用拋石結構。防浪墻采用灌砌塊石結構，見圖2。

圖2　充填袋斜坡堤斷面圖Fig.2　Cross-section of sloping dike built with filled sand bags

2.2.2加筋材料

1）1W0+708～1W0+832段

采用250 kN/m玻璃纖維經編復合土工布。

2）1W0+832～1W1+044段

采用300 kN/m玻璃纖維經編復合土工布。

3）1W1+044～1W1+228段采用150 kN/m加筋軟體排。

2.3試驗施工及原型觀測

徐圩1號圍堤試驗段于2009年11月開工建設，2009年12月完成，2011年6月完成吹填至7.8 m。

共設置了4個原型觀測斷面，其中1W0+ 770、1W0+950為玻璃纖維經編復合土工布的觀測斷面，1W1+050、1W1+150為加筋軟體排觀測斷面。

2.4試驗效果分析

1）穩定效果分析

1號圍堤試驗段開工建設至今，歷經了圍堤主體結構建成、后方吹填淤泥至7.8 m等幾個關鍵節點，2011年5月1日圍堤整體通過交工驗收。

從試驗段圍堤使用情況分析，采用玻璃纖維經編復合土工布加筋層的圍堤始終保持穩定。

2）減少圍堤沉降效果分析

采用不同加筋材料的2種斷面鉆孔顯示的施工期沉降量均小于理論計算最終沉降量，其中玻纖布施工期沉降量與理論計算沉降量之比（87%）小于加筋軟體排（97%），說明加筋材料對均化堤基應力分布，減少堤頂沉降量有一定作用，玻纖布的效果好于加筋軟體排。試驗觀測斷面固結度計算統計見表3。

表3　試驗觀測斷面固結度計算統計表Table 3　Summary of calculated degree of consolidation of soil in pilot observation cross-section

3）減小水平位移效果分析

測斜數據顯示，采用玻璃纖維經編復合土工布加筋層處累計水平位移151 mm，明顯小于采用軟體排加筋層處的累計水平位移（分別是210 mm和224 mm），說明玻璃纖維經編復合土工布對于減少堤壩水平位移有明顯作用。堤頂位置測斜數據統計見表4，1W1+050堤頂水平位移隨時間變化曲線見圖3。

4）經濟性效果

玻璃纖維經編布應用于淤泥地基中斜坡段工程尚屬起步，與水運工程淤泥地基中常用的高強機織布、高強土工格柵等加筋材料在加筋效果基本一致的情況下，目前價格相對較高，隨著生產工藝的改進、生產的規模化、應用數量的增加和市場競爭的加劇，價格還有下降空間，經濟性將進一步提高。同類型加筋材料經濟性對比見表5。

表4　堤頂位置測斜數據統計表Table 4　Summary of inclining data observed at top of dike

圖31　W1+050堤頂水平位移隨時間變化曲線Fig.3　Relationship of horizontal displacement with time at 1W1+050 at top of dike

表5　同類型加筋材料經濟性對比表Table 5　Economic comparison of different types of reinforcing materials

5）船鋪施工效果

玻璃纖維經編復合土工布水下鋪排船鋪設施工工藝基本可行。

3　設計

3.1基本原則

1）采用單層玻纖布，避免采用多層玻纖布。

2）保證底部墊層的平整度，單層玻纖布工作的協同性取決于底部墊層（充填袋）的平整度，若平整度好，則玻纖布受力的協同性好，反之則協同性差。玻纖布用于公路路面裂縫防治就是將玻纖布鋪設在基層和面層之間，基層的平整度非常好，保證玻纖布同步工作。

3.2斷面布置要求

本次研究試驗表明，為充分發揮加筋效果，玻璃纖維經編復合土工布應盡量設置在斷面底部。

3.3墊層設置及平整度要求

玻纖布加筋層極限延伸率取2%，參照JTJ239—2005《水運工程土工合成材料應用技術規范》[2]關于綜合強度折減安全系數的規定，玻纖布加筋層工作延伸率取0.4%，當平整度為5.5 cm/100 cm或平整度為2.75 cm/50 cm時，平整度引起的加筋層延伸率為0.6%，合計延伸率為1%，為極限延伸率的50%，其強度折減安全系數為2。

因此，為保證加筋層同步工作，墊層平整度建議值為：玻纖布的墊層平整度應達到5.5 cm/ 100 cm（1處凹凸）或2.75 cm/50 cm（1處凹凸）。

3.4錨固構造要求

玻璃纖維經編復合土工布必須采取可靠的錨固措施。根據規范[2]，玻璃纖維經編復合土工布作為加筋層，必須采取可靠的錨固措施和設置足夠的錨固長度。

3.5橫向接縫限制措施

為充分發揮玻璃纖維經編復合土工布的加筋效果，玻璃纖維復合布單塊長度應根據需要定制生產，橫向不應設置接縫。

3.6上部保護措施

根據本次試驗經驗，玻纖布一經鋪設，同時在其上部充灌充填袋，可以有效保護玻纖布加筋層，同時也可避免上部拋石結構施工對玻纖布的破壞。

4　計算方法

4.1整體穩定計算

玻璃纖維經編復合土工布加筋層加筋工作原理與加筋軟體排基本一致，可以參照《水運工程土工合成材料應用技術規范》[2]相關公式進行計算，但其延伸率很小，具有脆性特點，須對綜合抗拉強度的取值作適當修正，現階段研究建議綜合抗拉強度折減系數在墊層平整度5.5 cm/100 cm（1處凹凸）或2.75 cm/50 cm（1處凹凸）的情況下取5，在墊層平整度5.75 cm/100 cm（1處凹凸）或2.875 cm/50 cm（1處凹凸）的情況下取≥6。

4.2沉降計算

JTS 147-1—2010《港口工程地基規范》[3]和《水運工程土工合成材料應用技術規范》[2]均沒有提供有加筋材料情況下的沉降計算公式。為體現加筋材料的影響，應針對堤頂和平臺采用不同的經驗系數ms，其中堤頂位置的ms比不加筋情況下的ms略小，鎮壓平臺位置略大，且當加筋材料拉力越大、變形率越小時，修正幅度越大。

研究建議，在設置玻纖布加筋層淤泥土地基情況下，堤頂沉降經驗系數ms宜取1.15左右。

5　應用條件

1）在淤泥地基上修建對堤頂沉降、水平變形要求較高的斜坡堤。

2）墊層平整度有保證的情況。

在墊層及玻璃纖維經編復合土工布平整度有保證的情況下，玻璃纖維經編復合土工布可以同步工作起到加筋效果，反之應謹慎使用。

玻璃纖維經編復合土工布加筋層抗拉強度大，變形率小，不超過3%，變形很小時就達到了設計抗拉強度，屬于脆性加筋材料。作為工程中的加筋材料，要求其能同步受力。根據脆性材料特性，要保證玻纖布同步受力，就要保證其同步變形，而要保證其同步變形，就要求其在鋪設過程中足夠平整，要保證其平整，關鍵是其下側墊層要平整。根據本次試驗表明，在墊層平整度有保證的情況下，玻璃纖維經編復合土工布可以同步變形，從而同步工作，起到加筋效果。

反之，若墊層不平整，則玻纖布鋪設后不可能平整。承受荷載作用后原本較緊的一部分玻纖布先變形受力，由于變形率太小，很快達到設計強度，而較松弛的玻纖布此時不受力或受力很小。隨荷載逐步增大，先受力的玻纖布承受的應力超過其抗拉強度而拉斷破壞，拉斷后圍堤變形增大，較松弛的玻纖布開始受力，由于一部分玻纖布已經拉斷破壞，后受力的玻纖布應力也很快超過其抗拉強度而拉斷破壞。依此發展，極有可能整個玻璃纖維經編復合土工布加筋層全部拉斷破壞失效，從而嚴重影響圍堤自身安全。因此，在墊層平整度不能保證的情況下，應謹慎使用[4-6]。

結合目前的施工工藝水平，提出建議。

1）低潮露灘部位：便于墊層施工和平整度檢查，墊層的平整度容易得到保證，玻纖布加筋層是可以適用的。

2）水下部位：墊層施工受風浪、流、鋪設充填工藝的影響較大，且平整度檢查較為困難，建議充分考慮平整度對玻纖布同步工作效果的影響。

6　結語

玻璃纖維經編復合土工布屬于新型材料，本次研究基本解決了材料研制、高灘部位的工作機理及設計計算方法以及水下鋪設工藝等問題，為玻璃纖維經編復合土工布在淤泥地基中筑堤應用提供了初步的理論基礎和技術支持。玻璃纖維經編復合土工布作為新型材料，不可能通過本次研究解決所有問題，還需要在后續研究中繼續深化。

[1]中交上海航道勘察設計研究院有限公司，連云港港30萬噸級航道建設指揮部.玻璃纖維經編復合土工布加筋層在連云港淤泥地基筑堤的應用技術研究[R].2012. CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Navigation Channel for 300 000 dwt Ships for Lianyungang Port.Research on application of reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile in dike construction on mud foundation in Lianyungang[R].2012.

[2]JTJ 239—2005，水運工程土工合成材料應用技術規范[S]. JTJ 239—2005,Technical code for application of geosynthetics for port and waterway engineering[S].

[3]JTS 147-1—2010，港口工程地基規范[S]. JTS 147-1—2010,Code for foundations in port engineering[S].

[4]張功新，董志良，劉吉福，等.土工布在高速公路軟基加固中的應用分析[J].中國港灣建設，2006（1）：30-33. ZHANG Gong-xin,DONG Zhi-liang,LIU Ji-fu,et al.Analysis and application of geotechnical fabric in improvement of soft ground of express highway[J].China Harbour Engineering,2006(1):30-33.

[5]馬興華，張晴波，陳學良.土工合成材料在堤壩工程中的應用[J].中國港灣建設，2008（5）：5-8，20. MA Xing-hua,ZHANG Qing-bo,CHEN Xue-liang.Application of geosynthetics in construction of breakwaters and dams[J].China Harbour Engineering,2008(5):5-8，20.

[6]毛元平.土工合成材料在天津港地區海上堤埝工程中的應用[J].中國港灣建設，2008（3）：5-8. MAO Yuan-ping.Application of geosynthetics in offshore breakwaters and cofferdams[J].China Harbour Engineering,2008(3):5-8.

Application of reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile in dike construction on mud foundation in Lianyungang

CAI Hui1,LI Zeng-yong2,SHEN Xue-song1,MA Xing-hua3,LIU Xiao-hui3
（1.Directorate for Construction of Navigation Channel for 300 000 dwt Ships for Lianyungang Port,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;2.Lianyungang Port Authority,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;3.CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

Reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile has high strength and very low extensibility,so it is widely used in the prevention and repair of cracks in the road surface.However,it is not much used in dike construction on the mud foundation.Based on the dike construction in the Xuwei Port Area for the navigation channel for 300 000 dwt ships in Lianyungang Harbor,we carried out a special research on the application of warp-knitted fiberglass composite geotextile in the construction of sloping dike with sand bags on a mud foundation.Technical issues in applying warp-knitted fiberglass composite geotextile in the dike construction on mud foundations were solved through material development,field application test,and prototype measurement.

fiberglass;fiberglass geotextile;mud foundation;sloping dike built with sand bags

U654

A

2095-7874（2016）09-0017-05

10.7640/zggwjs201609004

2016-04-18

江蘇省交通運輸廳研究項目（09Y23）

蔡輝（1962— ），男，江蘇揚州市人，工程師，港口與航道工程專業。E-mail：13775483888@163.com