鋼塑土工格柵在邊坡工程中應用案例

陳梓榮

（福建省建筑科學研究院有限責任公司/福建省綠色建筑重點實驗室 361006）

0 前言

土工合成材料是一種新型的巖土工程材料，它以天然或人工合成聚合物（塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類型的產品，置于土體內部、表面或各層土體之間，發揮加強（加固）或保護土體的作用。鋼塑土工格柵是以高強鋼絲(或其他纖維)，經特殊處理，與聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，并添加其他助劑，通過擠出使之成為復合型高強抗拉條帶[1～3]。

目前土工合成材料已經廣泛應用于公路、鐵路、水利、電力、建筑、海港、采礦等各個領域[4～7]。本文以某邊坡的鋼塑土工格柵為加筋材料的加筋土擋墻支護結構為例，通過理論計算與竣工完成后監測數據對比分析，驗證該材料在邊坡工程中的可行性和應用前景。

1 工程概況

該場地周邊為農田及果園山坡地。依據本場地建筑設計資料，水廠泵房、濾池、機修間、排泥排水池等設施室外地坪高程7.50m～21.00m(黃海高程，下同)，高于場地周邊地面。根據設計要求，邊坡總長度約400 多米，高度約0～20m，主要采用局部鋼塑土工格柵加筋土擋墻支護形式。

2 場地工程地質

場地原為山坡地，交通較為便利。場地屬于剝蝕殘丘地貌單元。因建設需要，將對原場地進行開挖、回填平整。現地形東高西低，局部地段場地起伏較大。場地內孔口高程最大值20.72m，最小值1.27m，地表相對最大高差約19m。

根據鉆探鉆孔揭露，目前本場地內地層結構自上而下依次為：①粉質粘土、②殘積砂質粘性土、③全風化花崗巖、④-1砂土狀強風化花崗巖、④-2碎塊狀強風化花崗巖、⑤中風化花崗巖。現將各巖土層的巖性特征分述如下：

①粉質粘土（Q4dl）: 灰黃色、褐黃色，濕，呈可塑狀態，主要成份為粘土礦物及少量石英中粗砂組成，局部夾有薄層中粗砂，光澤反應稍有光滑，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。經桿長修正后標貫擊數標準值N標準值＝8.5。層厚0.40～4.20m，平均厚度1.89m，層頂高程3.21～20.72m。

②殘積砂質粘性土（Qpel）：黃褐色、紅褐色，可塑狀態，以粘粉粒為主，含粘土結核、鐵錳質等，局部含少量角礫。切面較粗糙，稍有光澤，無搖振反應，干強度較高，韌性較好，屬中等壓縮性土，力學性質隨深度增強。經桿長修正后標貫擊數N標準值=15.8。層厚0.50m～9.00m，平均厚度3.91m，層頂高程1.27m～15.01m。該層未發現洞穴、臨空面及軟弱夾層。

③全風化花崗巖（γ53）：灰黃色，堅硬，飽和。風化不均，散體狀構造，遇水易軟化、崩解。礦物成分主要為石英、長石、云母風化形成的硬顆粒、次生礦物等。具原巖殘余結構，屬于極軟巖，巖體基本質量等級為V級。經桿長修正后標貫擊數N標準值=32.8。層厚1.20m～3.80m，平均厚度2.17m，層頂高程-1.88m～17.25m，該層未發現洞穴、臨空面及軟弱夾層。

④-1砂土狀強風化花崗巖（γ53）：灰黃、灰褐色，堅硬，飽和，風化不均。巖芯呈散體砂土狀，手捻即碎。該層水穩性差，遇水易軟化、崩解。礦物成分主要為石英、長石、云母風化形成的硬顆粒、次生礦物等。具原巖殘余結構，屬于極軟巖，完整程度為極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。經桿長修正后標貫擊數N標準值=50.8。層厚0.50～6.30m，平均厚度2.25m，層頂高程-4.68～15.95。該層未發現洞穴、臨空面及軟弱夾層。

④-2碎塊狀強風化花崗巖（γ53）：灰黃，灰白色，堅硬，飽和，風化不均。巖芯呈散體碎塊狀，中粗粒結構，碎裂狀構造，鉆進較慢，裂隙發育。礦物成分主要為石英、長石、云母風化形成的硬顆粒、次生礦物等。單軸極限抗壓強度換算值標準值為7.75MPa，巖石堅硬程度為軟巖，完整程度為破碎～極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。該層場地內除鉆孔BK7 外均有揭示，部分鉆孔未揭穿，揭示層厚0.20m～8.20m，平均揭示厚度4.20m，層頂高程-7.15～19.42m。該層未發現洞穴、臨空面及軟弱夾層。

⑤中風化花崗巖（γ53）：灰黃，灰白色，中粒～中粗粒結構，塊狀構造，風化裂隙發育，呈短柱狀～柱狀、少量碎塊。礦物成分主要為石英、長石、云母等。RQD 值為40～75，巖體完整程度為較破碎～較完整，單軸極限抗壓強度標準值為32.75MPa，巖石堅硬程度等級為較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級。揭示層厚3.00～8.00m，平均揭示層厚5.22m，層頂高程-6.75m～17.92m。

該地區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第三組。

表1 巖土層地基基礎設計計算參數

3 邊坡設計概況

場地邊坡4-4 剖面主要采用加筋土擋墻支護形式，坡頂高程17.9～21.0m，坡腳高程7.5m，采用加筋土擋墻支護，支護形式采用4-4 剖面，長度約134.9m；

筋材鋪設：采用GSGS180-50 鋼塑土工格柵（代表異形鋼塑土工格柵，縱向極限抗拉強度大于180kN/m，橫向極限抗拉強度大于50kN/m），陽角區域采用GSGS120-120 土工格柵（代表雙向土工格柵，縱向和橫向極限抗拉強度大于120kN/m），豎向每隔500mm 鋪設一層，回折2m。

排水通道：豎向每隔4m 鋪設一層500mm 厚中粗砂排水層，上下各鋪一層（≥200g/m2）無紡土工布。

填料要求：采用透水性較好的中風化以上的土石混合填料，最大粒徑小于5cm，不允許采用腐殖土、強風化泥巖等填料，分層壓實，壓實度距離坡面1m 內大于90%，其它部位93%；填料容重大于18.5kN/m3，內摩擦角大于35°。

護面：沿坡面水平距離每隔3m 設置1 道豎梁，尺寸為300m×300mm，采用4C14 配筋，C30 混凝土澆筑；壓頂梁采用300m×300mm, 采用4C14 配筋，C30混凝土澆筑.

坡面采用CS 混合纖維植灌法噴播植草，掛2 層14#棱形鍍鋅鋼絲網。

4 擋墻穩定性復核與分析

4.1 加筋材料強度計算

設計應用的材料允許抗拉（拉伸）強度Ta 應根據實測的極限抗拉強度T，通過下列公式計算確定[8～9]：

式子中：

RFCR——材料因蠕變影響的強度折減系數；

RFiD_材料在施工過程中受損傷的強度折減系數；

RFD——材料長期老化影響的強度折減系數；

RF——綜合強度折減系數。

以上各折減系數根據現場加筋材料類別、填土情況和工作環境等通過試驗測定。蠕變折減系數、施工損傷折減系數、老化折減系數在無實測資料時，綜合強度折減系數宜采用2.5～5.0，施工條件差、材料蠕變性大時，綜合強度折減系數應采用大值。

根據現場尺寸，炭黑質量、橫肋質量等判斷和調查，判定該場地GSGS180-50鋼塑土工格柵，縱向極限拉伸強度為180kN/m。根據規范規定，設計抗拉強度應考慮施工、蠕變和老化過程中的損傷，因此本工程中考慮強度折減系數為3.5，設計抗拉強度取值為51.4kN/m。

參考《公路路基施工技術規范》JTG F10-2006、《公路路基設計規范》 JTG D30-2015 抗滑移/抗傾覆/內部穩定性/外部整體穩定性/地基承載力驗算。

（1）等效荷載計算

擋墻穩定性計算過程中考慮的荷載主要有加筋體重力和加筋體上填土重力。路堤式擋土墻加筋體上填土重力應換算成等代均布土層厚度計算，根據《公路路基設計規范》JTG D30-2015 坡頂荷載按照20kPa 進行計算，填土容重按照19kN/m3來進行計算，綜合內摩擦角按照30°參與計算，那么計算后可以得到：

換填土厚度為：

（2）筋材抗拉斷穩定性驗算

單位加筋土擋墻第i 層單位擋墻長筋材承受的水平拉力Ti應按照下式進行計算：

將坡頂荷載換算為等效均布土層厚度來進行計算:荷載按照20kPa 來進行計算，因此按照4-4 剖面計算，最大高度為13.5m（坡頂高程21.0m，坡腳高程6.5m），最底層的筋材拉力（最大）值為：

水平拉力：T0=(19*13.5+20)*(1/3)×0.5=46kPa

（3）筋材抗拔安全系數計算

筋材抗拔力和抗拔安全系數Fs 的計算公式分別為：

因此可以計算，以4-4 剖面為例，底部筋材長度為14m，底部的筋材的抗拔力為：2×(19*13.5+20)×0.5×1×14=3871kN，遠大于水平拉力644kN（以寬度1m計算）。

（4）反包土工格柵筋材長度確定

根據《公路路基設計規范》JTG D30：計算如下：

式子中：

L0——計算拉筋層的水平回折包裹長度（m）；

D——拉筋的上、下層間距（m）；

c——拉筋與填料之間的粘聚力（kPa）；

上述計算可以得到：

13.5 m 高程時反包筋材的長度為：

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

因此本工程設計從下至上反包筋材長度分別為2m 滿足長度要求。

4.2 整體穩定性計算

邊坡整體穩定性計算采用剛體極限平衡法[10～11]，由于坡體主要為殘積土和全風化花崗巖，且全風化花崗巖主要呈土狀，可采用圓弧法進行計算。按照地勘報告揭示的場地各巖土層分布情況，采用Slide6.0 版軟件進行計算分析邊坡現狀整體穩定，各巖土層物理力學參數如表1。

邊坡整體穩定性分析模型參考設計圖紙，各剖面取擋墻最高值作為最不利工況進行計算分析。當坡頂竣工后存在道路荷載時，天然工況、地震工況和飽和下整體穩定性處于穩定狀態，滿足規范《建筑邊坡工程技術規范》GB50330 的要求。

5 監測數據分析

根據現場情況，對本工程進行了邊坡坡頂水平位移、坡頂豎向位移和深層土體水平位移監測，其中該區域水平位移監測點3 個（S4～S6），豎向位移監測點3個（J3～J6）和深層土體水平水平位移監測點3 個（CX4～CX6）。監測頻率： a、坡頂位移監測2～3 次/周，變形時1 次/天，變形劇烈時每天數次；b、地下位移監測1～2 次/月，變形時1～2 次/周，變形劇烈時1 次/天；c、支護結構應力監測在張拉鎖定后頭兩個月內1 次/周，其后2～3 次/月。運營期間： 原則上1 次/月，變形（或應力）異常、連續降雨、強降雨或臺風后等加密監測。

監測時間為2016年8月15日～2018年5月9日，從監測結果來看，邊坡坡頂的最大水平位移位于監測點S8 處，水平位移為6.5mm；邊坡坡頂沉降最大點位于J4 處，沉降值為7.0mm；深層位移監測結果顯示，CX04 深層位移呈現坡頂位移較大，底部位移小的趨勢；其中最大位移值分別為15.62 mm、15.26 mm、13.48mm，累計位移未超預警值。

圖1 監測結果

6 結論

在本工程鋼塑土工格柵加筋土支護剖面中，邊坡天然工況、地震工況和飽和工況條件（考慮未來車輛荷載20kN/m）下整體處于穩定狀態，滿足《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330）要求；同時根據監測結果顯示相關指標滿足規范要求值。