航道護(hù)岸軟基處治中土工格柵加筋技術(shù)的應(yīng)用

◎ 樂星華 魏必文 江西省路港工程有限公司

在傳統(tǒng)的航道整治工程中，一般通過固結(jié)排水、打樁、拋石等軟基加固技術(shù)，提升護(hù)岸地基承載力。但此類技術(shù)施工過程復(fù)雜、工期長、加固質(zhì)量較難控制，發(fā)生不均勻沉降的可能性大。隨著我國航道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土工格柵軟基加固技術(shù)逐漸得到應(yīng)用。該技術(shù)主要借助土工格柵和碎石的機(jī)械咬合，形成高強(qiáng)度壓實(shí)體和抗剪切層，此結(jié)構(gòu)層能加速孔隙水消散，排水固結(jié)，并能有效抵抗抽吸作用，形成雙面排水局面。因缺乏理論依據(jù)及可靠的設(shè)計(jì)方法，該技術(shù)在航道護(hù)岸整治工程中尚未得到推廣普及。基于此，本文依托航道護(hù)岸整治工程實(shí)例，借助現(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)，得出土工格柵加筋材料力學(xué)特性及關(guān)鍵施工參數(shù)，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1.工程概況

某航道過往船舶數(shù)量多、噸位大，年承載船舶通過量近5000×104t，上游引航道兩側(cè)原為直立式漿砌石駁岸結(jié)構(gòu)，在長期運(yùn)行過程中因受到水流沖刷、船舶碰撞，基礎(chǔ)持續(xù)下沉，駁岸破損嚴(yán)重。其中部分駁岸段地基土質(zhì)不良，駁岸基礎(chǔ)位于流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層上。航道管理局決定于2020年底對航道兩側(cè)駁岸展開改建，并采用土工格柵加筋技術(shù)展開軟基加固。

2.土工格柵加筋方案設(shè)計(jì)

土工格柵加筋結(jié)構(gòu)能較好提升地基承載力，主要原因在于其能將表面豎向靜載和活載均勻分散至承載土層，避免不均勻沉降。加筋層厚度、加筋層數(shù)、抗拉強(qiáng)度、摩擦特性等均對土工格柵加筋層荷載擴(kuò)散效果有直接影響[1]。

2.1 加筋層厚度

土工合成材料加筋墊層設(shè)計(jì)方法并不統(tǒng)一，本文采用承載力計(jì)算公式法，在設(shè)置2層及以上加筋材料時(shí)，按

式中：H為加筋層厚度（m）；γ1為第1層加筋結(jié)構(gòu)承受的土體重度（kN/m3），取18.9kN/m3；Df為土粒與拉筋產(chǎn)生的總摩擦力（kN）；δ為碎石與格柵加筋結(jié)構(gòu)間的摩擦角（°），取33°；β為加筋碎石擴(kuò)散角（°），取27°；qα為基底應(yīng)力（kPa），取80kPa；γ2為第2層加筋結(jié)構(gòu)承受的土體重度（kN/m3），取20.0kN/m3；B為土工格柵加筋結(jié)構(gòu)上放置的荷載板寬度（m）；P為荷載板所施加的豎向荷載強(qiáng)度（kPa）。

將相關(guān)參數(shù)值代入后，得出土工合成材料加筋層厚度H=0.65m，工程實(shí)際中取0.70m。即下層為0.20m厚的砂墊層；中間為0.40m厚的包裹式土工格柵，內(nèi)部填充砂料；上層為0.10m厚的保護(hù)層。

2.2 加筋材料選用

根據(jù)荷載擴(kuò)散原理，加筋結(jié)構(gòu)最大拉力產(chǎn)生荷載擴(kuò)散效果，加筋結(jié)構(gòu)最大拉力[3]按照下式確定：

式中：F為加筋結(jié)構(gòu)最大拉力（kN）；σV作用于格柵上的垂直應(yīng)力（kN）；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計(jì)算，加筋材料最大拉力為8.9kN，也就是材料必須具備的抗拉強(qiáng)度。

工程所在地某建筑材料有限公司提供的土工格網(wǎng)、雙向土工格柵沿卷寬向抗拉強(qiáng)度最大值分別為5.81kN/m和20kN/m，按照最大抗拉強(qiáng)度的56%確定長期設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則兩種材料長期設(shè)計(jì)強(qiáng)度為3.2kN/m和11.2kN/m。通過與以上設(shè)計(jì)過程的比較看出，僅雙向土工格柵符合抗拉強(qiáng)度要求，故該航道護(hù)岸軟基處治工程選擇HB0220SAMP型雙向土工格柵材料。

3.性能測試及試驗(yàn)

3.1 土工格柵材料特性

為檢驗(yàn)土工格柵材料抗剪強(qiáng)度，分別對無土工格柵、鋪設(shè)2層、鋪設(shè)3層、鋪設(shè)4層土工格柵加筋材料的試樣展開三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，以上試樣內(nèi)聚力分別為25.9kPa、30.5kPa、33.2kPa、45.6kPa。考慮到土工格柵結(jié)構(gòu)的整體性特征，其孔網(wǎng)會(huì)將周圍土體顆粒牢牢聯(lián)鎖嵌固，使格柵與土體之間的摩阻力增強(qiáng)，土體顆粒間接觸面積增大，聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均增強(qiáng)。以上作用還會(huì)隨著加筋層數(shù)的增多而增大。

根據(jù)土工格柵加筋結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，無土工格柵、鋪設(shè)2層、鋪設(shè)3層、鋪設(shè)4層土工格柵加筋材料的試樣壓縮系數(shù)依次為0.45MPa-1、0.33MPa-1、0.28MPa-1和0.26MPa-1；壓縮模量分別為4.32MPa、5.99MPa、7.10MPa、6.87MPa。可見，增設(shè)土工格柵加筋材料后，試樣壓縮系數(shù)明顯減小，而壓縮模量呈增大趨勢，試樣抗變形能力提高，承載力增大；鋪設(shè)2層和3層土工格柵后試樣承載力提升明顯，而鋪設(shè)4層土工格柵加筋層后承載力降幅明顯下降，與鋪設(shè)3層加筋層的效果相差不大。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

在該航道護(hù)岸整治工程0+441～0+459段展開現(xiàn)場試驗(yàn)，該段地面以下為8.0～9.0m厚的淤泥質(zhì)土，現(xiàn)場土工格柵加筋體試驗(yàn)長度為18.0m，基槽通過挖掘機(jī)開挖，預(yù)留出20cm厚度由人工開挖至基底高程。將試驗(yàn)段分成長度為6.0m的三段，分別鋪設(shè)2層、3層和4層土工格柵，并埋設(shè)壓力傳感器以檢測地基沉降。按照以上設(shè)計(jì)加固軟基后護(hù)岸變形沉降監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 護(hù)岸變形沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地基初期變形較大，隨著施工過程的推進(jìn)，變形沉降減小，地基變形趨于均勻和穩(wěn)定，說明土工格柵加筋結(jié)構(gòu)的加固效果已經(jīng)充分顯現(xiàn)。隨著格柵材料鋪設(shè)層數(shù)的增大，地基沉降變形大幅減小；鋪設(shè)3層格柵材料的加固效果明顯優(yōu)于2層，并與鋪設(shè)4層格柵材料的加固效果接近。綜合以上分析，該航道護(hù)岸軟基處治工程應(yīng)鋪設(shè)3層土工格柵材料，加固效益較好。

3.3 室內(nèi)試驗(yàn)

該航道管理局委托省交通廳交通試驗(yàn)中心檢測站展開室內(nèi)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)采用堆載法，以1.0m×1.0m的剛性鐵板為承壓板，分別按10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、60kPa的荷載分6級加載，每級加載后按照5min的間隔讀取沉降值，共讀取6次；此后則按照30min的間隔讀取；當(dāng)60min內(nèi)沉降量降至0.1mm以下時(shí)，即展開下一級荷載試驗(yàn)。

從工程現(xiàn)場試驗(yàn)場地取淤泥質(zhì)軟土鋪設(shè)于模型槽底，并預(yù)埋3排監(jiān)測點(diǎn)；上部鋪設(shè)砂墊層，預(yù)埋5排測點(diǎn)，對砂墊層中鋪設(shè)3層土工格柵和不鋪設(shè)土工格柵兩種情況展開比較試驗(yàn)。加載前，應(yīng)預(yù)留出足夠時(shí)間使土體自由壓縮穩(wěn)定，并測讀出各測點(diǎn)初始位移。此后每天增加一級荷載，直至加載至10級荷載，再次測讀各測點(diǎn)位移。通過磁性支架將測微表固定于承壓板，展開各級荷載作用下沉降變形值的測量。根據(jù)測量結(jié)果（圖1），設(shè)置3層土工格柵后地基豎向沉降明顯小于不設(shè)置土工格柵的情況；隨著荷載的持續(xù)增大，兩條沉降曲線之間的差值也增大，并發(fā)生明顯的分叉和偏離，此后鋪設(shè)3層土工格柵加筋材料的地基沉降曲線趨于平緩，而不鋪設(shè)土工格柵加筋材料的地基沉降曲線仍然陡峭。說明格柵加筋結(jié)構(gòu)后期效應(yīng)明顯，且荷載越大，加筋效果越凸顯，沉降增幅也減小。

圖1 各級荷載下荷載-沉降曲線

各級荷載作用下沉降變形均由彈性變形和塑性變形組成，且彈性變形小于塑性變形。在增設(shè)土工格柵加筋材料后，加載曲線與回彈曲線之間的差即為塑性變形，其值明顯小于不設(shè)置加筋材料的塑性變形[4]。說明格柵加筋材料的設(shè)置使地基應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，對軟土地基過早進(jìn)入塑性狀態(tài)起到較好的阻止作用，并使軟土地基抗塑性破壞的能力以及加筋土剛度和延性顯著提升，避免了剪切破壞的發(fā)生。

圖1中兩條回彈曲線基本處于平行狀態(tài)，但鋪設(shè)3層土工格柵加筋材料的曲線回彈值略大，主要原因在于壓力的釋放使應(yīng)變減小，進(jìn)而使格柵加筋材料抗拉強(qiáng)度相應(yīng)減小。這種情況基本符合工程實(shí)際。

4.土工格柵加筋層施工

4.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)要求開挖基槽并平整坡底，設(shè)置排水。待完成驗(yàn)槽后，鋪設(shè)砂墊層。砂墊層主要采用含泥量在5%以下的中粗砂，以人工方式將砂料運(yùn)進(jìn)基槽，散鋪整平后，從兩邊開始逐次向中間壓實(shí)填料。

4.2 格柵材料展鋪固定

為方便展鋪，應(yīng)將格柵材料縫接加工為鋪設(shè)塊。即選擇平整堅(jiān)實(shí)的場地，將格柵卷材展開，按照設(shè)計(jì)長度裁剪；將兩幅同長度格柵并列拉直，幅間留出0.5m長度，通過塑料帶綁扎縫接，綁扎點(diǎn)間距為0.15m。此后將裁剪縫接完畢的格柵材料卷起，運(yùn)至施工現(xiàn)場備用。

將砂墊層平整壓實(shí)，鋪設(shè)格柵材料，鋪設(shè)時(shí)必須拉緊鋪平，上下層縫接處必須錯(cuò)開0.5m以上的距離。待格柵材料鋪設(shè)完成后，使用U型釘按1.5m間隔進(jìn)行固定，保證格柵材料與砂墊層緊密貼合。U型釘長450mm，寬100mm，直徑10mm。

4.3 回填填料

按照先兩側(cè)端、后中部的次序回填砂料，并整平夯實(shí)；從兩邊開始依次向中間整平夯實(shí)。完成砂料回填后回折格柵，回折時(shí)前后端必須由人工接緊搭接，再使用U型釘固定。最后鋪設(shè)上覆保護(hù)層，并將頂面找平。

5.應(yīng)用效果評價(jià)

該航道護(hù)岸軟基處治工程應(yīng)用土工格柵加筋材料加固是否在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上適用？必須將其與拋石、打樁等傳統(tǒng)技術(shù)展開比較。以該航道待處治區(qū)域20m長且土質(zhì)條件為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的護(hù)岸展開分析，該區(qū)段地基承載力在65～70kPa之間，土體壓縮模量在3.0～5.5MPa之間。不同處治方式下使用效果的比較見表2。

表2 不同處治方式使用效果的比較

綜合表中比較結(jié)果，土工格柵加筋處治效果與打樁處理效果類似，但造價(jià)較低；與拋石相比，造價(jià)雖高，但處治效果明顯較好。打樁處治方式下工藝相對復(fù)雜，工期長，無法保證處治工程及時(shí)發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。綜上，該航道護(hù)岸軟基處治工程采用土工格柵加筋處治技術(shù)切實(shí)可行。

6.結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，土工格柵加筋結(jié)構(gòu)能顯著提升航道護(hù)岸軟基承載力，加筋材料后期效應(yīng)顯著，荷載越大，加筋效果也越明顯。在荷載較小時(shí)，砂墊層中鋪設(shè)2層、3層和4層土工格柵加筋層的加固效果較為接近，而隨著荷載的增大，加固效果隨加筋層數(shù)的增多而增強(qiáng)。根據(jù)加固效果，充分考慮技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)適用性，該航道護(hù)岸軟基處治工程最終加鋪3層格柵加筋材料，加固效果十分理想。