模袋碎石多級重力式擋墻在鐵礦棄石場穩定中的應用

成志榮 譚天憧 印長俊

【摘要】將一種新型模袋碎石多級重力式擋墻成功用于穩定鐵礦棄石堆場。首先通過對擋墻自身穩定性和整體穩定性的理論分析，論證了擋墻具有同類毛石擋墻的安全性;然后通過經濟效益比較，確定了這種擋墻比傳統毛石擋墻要節省造價45%，提高施工速度4倍，所以能兼顧環保與經濟;最后編制施工方案進行施工，通過實踐證明這種新型擋墻的可行性。

【關鍵詞】模袋碎石;擋墻;穩定;應用

模袋砌塊是一種新型的加固土材料，一般來說是用編織袋填充碎石、砂或土等散體材料形成的土工合成塊體，H. Matsuoka[1]稱之為砂袋（soilbags）。模袋碎石（或稱砂袋、袋裝碎石）是模袋砌塊的一種，它的填充材料是碎石， H. Matsuoka[2]用模袋碎石成功砌筑了一堵高4.5m，坡腳75°的重力式擋土墻。模袋砌塊提高了散體材料的強度，將模袋砌塊按一定方式堆積連結，可用于堤壩填筑[3]、路基加固[4]和擋土墻[5]等工程，具有經濟適用、有利于環境保護的優點。

2010年8月，本文作者受某鐵礦委托利用棄石在山谷中建立一塊地坪以堆放精礦粉。棄石場的材料為選礦后遺留的碎石，可以自然穩定，若再施加堆載，就需要借助擋土結構維持其穩定性。山谷的高差約20m，若采用混凝土擋墻則造價昂貴且不便施工，經過方案比選，決定就地取材，利用模袋碎石堆砌重力式擋墻。

1、擋墻設計方案

經過實地查勘測量，決定采用分級重力式擋墻，每級擋墻高4.5m，深入每級地坪0.5m，共5級。最下面一級擋墻長約25.8m，采用漿砌毛石;以上4級擋墻長度逐級遞減，最上面一級擋墻長約54.8m，都采用模袋碎石重力式擋墻，共2679.74m3。如圖1所示，擋墻橫截面呈梯形，各級擋墻上邊寬自下而上依次是2.38m，1.38m，0.88m，0.88m，下邊寬自下而上依次是4m，3.4m，3.4m，3.4m。

如圖2所示，擋墻砌筑材料主要采用模袋碎石，裝袋用編織袋有兩種，當地回收的聚乙烯材料（A袋）編織袋，，購買的新編織袋（B袋），其比較見表1，這兩種編織袋性能經電子萬能試驗機（CSS-44020）進行測試，試件尺寸為30mm×200mm，其結果見表1，模袋碎石的力學試驗等結果見表1;碎石其最大粒徑約為40mm，重度19kN/m3;砌筑方式為錯縫搭接，不得出現通縫，無粘結砌筑;為增強擋墻的整體性，砌筑時采取一些構造措施，在擋墻中增加了兩層水平構造筋，構造筋材料采用直徑6mm的鋼筋構成縱橫向網格，鋼筋間距500mm，鋼筋網上下有50mm厚水泥砂漿;為保護模袋不受紫外線和水破壞，在擋墻前表面采用了掛網加M5.0砂漿抹面，掛網與水平鋼筋網相連接;為使擋墻內的水正常排出，擋墻中設置了3層排水管，其水平間距3m，另在最底層擋墻的地基中挖掘了一條截面1m×1m的導流溝，內填碎石。

2、模袋碎石的強度分析

H. Matsuoka et al的研究表明，將模袋作為整體，其表觀粘聚力為：

式（1）和式（2）中：cm是模袋表觀粘聚力，cs、φ和kp分別是模袋內填充物的粘聚力、內摩擦角和被動土壓力系數，H、B分別是模袋的高和寬，T是袋子所受張拉力，當外力為零時，袋體不起作用（T=0）;外力越大， T越大（極限值等于袋子的破壞強度），編制袋的增強效果越明顯，模袋強度越高。同時土工袋內的土顆粒將同時受到外部應力和袋體張力產生的附加應力的共同作用，使得土工袋內部土顆粒間的接觸力增大，即有效應力增加。

在無側限條件（即σ3=0）下，用碎石（cs=0，Φφ=38°）填充編織袋A、B，土工袋尺寸為75mm×50mm×10mm，則結合公式（1）和表1中袋子的抗拉強度，并根據摩爾庫倫理論算得其抗壓強度分別為672kPa和1.02MPa，根據以前的研究[5]，理論值一般比試驗值稍小，因此，用理論值進行設計計算是偏于安全和保守的。

總的來說，模袋碎石提高了碎石的內摩擦角和粘聚力，碎石的休止角約為40°（圖3a），經模袋約束后其堆積體的角度可達75°以上（圖3b），只要模袋耐久性提高，模袋碎石就可作為擋墻砌筑材料使用。

3、擋墻的穩定性計算

模袋碎石擋墻首先要解決的是自身穩定問題，其次才是作為重力式擋土墻的穩定性問題。

3.1模袋碎石擋墻的自穩性分析

模袋碎石擋墻的自穩性來源于三個方面：模袋碎石自身強度、模袋碎石之間的摩擦咬合力、構造措施。第一和第三個方面已沒有問題，所以分析著重于第二個方面，即模袋碎石的接觸方式和搭接方式。

模袋碎石擋墻的自身失穩模式如圖4所示，為簡化計算，可近似采用平面滑動法分析模袋碎石擋墻自身穩定，下滑體的穩定系數Fs可按下式計算：

（3）

其中：

（4）

l=h/sinθ ，（5）

式（3），式（4）和式（5）中：G是下滑體的單位長度重力;θ是滑裂面傾角，θ=45°+φ/2;ω是擋墻正面傾角;γ是模袋碎石的重度;h是擋墻高度;l是滑裂面長度。

由式（3）可知，擋墻自身穩定系數Fs隨著墻高h和模袋高度H的增大而減小，隨袋體張力T和模袋內填充物內摩擦角φ的增大而增大，而與土工袋的寬度的關系不大。

我國規范[6]規定Fs不小于1.3。當傾角ω為90°時，最大理論穩定高度hmax（Fs≥1.3）可達40m以上。因此，本方案中擋墻高度4.5m，其自身穩定性肯定能滿足要求，同時模袋碎石錯縫搭接也提高了擋墻整體穩定性，擋墻的實際穩定效果應該更好，這也為用模袋碎石砌筑擋墻提供了理論基礎。

3.2模袋碎石擋墻的整體穩定性分析

當模袋碎石擋墻的自穩性滿足要求后，就可作為重力式擋墻來計算其整體穩定性。擋墻穩定性主要計算內容包括抗滑和抗傾覆穩定性驗算;第1級擋墻下地基為微風化巖石，能滿足地基承載力要求。根據工程需要在第5級擋墻后的地坪堆積精礦粉，計算第5級擋墻穩定性時地坪上的超載取q=76kN/m2，圖1中各級擋墻的穩定性計算見表2。

4、模袋碎石擋墻的施工過程和經濟效益分析

4.1施工過程

模袋碎石擋墻的施工流程如圖5所示：

整個施工流程中，有幾個工序需要注意：（1）通過試驗發現，模袋碎石制作時，充填度宜為75%～80%時，這是袋體較飽滿，模袋不至于被刺破或撕裂，并可發揮較好的性能。（2）模袋碎石要分層砌筑，錯峰搭接，每砌筑一層用平板振動機振實，這樣可增強模袋碎石的粘聚力和袋間的接觸力（圖6）。（3）墻后碎石也要分層振實，這樣才能為下一級擋墻提供足夠的地基承載力并減少其沉降。

4.2經濟效益分析

擋墻施工過程簡單高效，經濟適用?，F場施工數據表明，1m3需模袋29個，工程施工速度約為3.23 m3/工日，直接為133元/m3。而對于毛石砌塊擋墻，工程施工速度約為0.76 m3/工日，直接為242元/m3。綜上比較可知：在造價方面，模袋碎石擋墻比毛石擋墻可節約大概45%，在施工進度方面，前者比后者快約4倍，而兩者使用的人力大致相當，若場地允許，使用機械生產模袋碎塊，則施工進度更快。

5、結論與展望

由于鐵礦的產量波動，碎石不能保證及時供應，施工工期歷時1年半，期間停工累計9個月。在施工過程中，我們擋墻的沉降變形進行了多次觀察，除了因差異沉降產生裂縫外，沒有其它失穩現象;裂縫經修補后，大部分裂縫趨于穩定（圖7）。另外，工地所在縣年降雨量1435mm，雨后經常偶山體滑坡，本工程施工期間經受了2011年6月和2012年7月的暴雨藍色預警，擋墻穩定，排水通暢。

擋墻竣工后的最終驗方是2676.74m3，由于碎石不計造價，總造價26萬元，單價97.1元/ m3，比預算還節省了27%;最終擴建的有效地坪面積約960m2，完全能夠滿足使用要求。

總的來說，模袋碎石擋墻不僅能有效穩定棄石場碎石，還能為鐵礦提供精礦粉的堆場，既合理利用了棄石又比同類擋墻造價低廉，兼顧了環境保護和經濟效益，值得推廣。今后的研究方向將定位在模袋碎石生產機械的設計和施工工法的細化。

參考文獻：

[1]H. Matsuoka， S-L. Liu. A new earth reinforcement method using soilbags[M]. London， UK， 2006.

[2]松崗元.土力學[M].北京：中國水利水電出版社.

[3]中華人民共和國行業標準. SL/T 225-98水利水電工程土木合成材料應用技術規范[S].北京：中國水利水電出版社.

[4]中華人民共和國行業標準. JTG/T D32-2012公路土工合成材料應用技術規范[S].北京：人民交通出版社.2012

[5]王瑞，馬石城，王寶峰.編織袋袋裝水泥紅土的力學性能試驗研究[J].建筑科學.2008，24（3）： 32-35

[6]中華人民共和國行業標準. GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社.2002

作者簡介：

成志榮（1967.01-），湖南湘鄉人，大學本科，高級工程師，主要從事設計管理及房屋結構設計工作。