海堤加筋材料的選用與保護

丁榮祥，姚小槐

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

土工合成材料加筋技術(shù)在海堤設(shè)計中應(yīng)用十分廣泛。目前常見的加筋材料有織造土工布類，主要有機織、經(jīng)編土工布等；土工格柵類，主要有 （高密度）聚丙 （乙）烯單 （雙）向拉伸土工格柵、玻纖土工格柵、鋼塑土工格柵、經(jīng)編滌綸土工格柵等。海堤設(shè)計中選用何種加筋材料最合適，從設(shè)計角度應(yīng)該提出并落實何種保護措施是技術(shù)人員必須面對和解決的問題。

1 加筋材料的選用

1.1 加筋材料平均延伸率

由于建于軟基上的海堤沉降量大、施工期沉降速率高，在海堤施工時均會進行原位觀測，觀測的主要項目之一是沉降。沉降板一般直接埋設(shè)在加筋材料上見圖1，由幾何關(guān)系可得沉降后加筋材料的平均延伸率為：

由式 （1）可知，加筋材料平均延伸率為相鄰沉降板之間的沉降差與水平距離的函數(shù)。

圖1 海堤沉降變形分解圖

1.2 海堤典型斷面原位觀測成果

圖2為拋石加載到5.00m高程 （即施工過程中）的海堤典型斷面及原位觀測成果圖，圖3為拋石加載到設(shè)計頂高程為7.70m的海堤典型斷面及原位觀測成果圖，該工程在加筋材料上直接埋設(shè)的沉降板，編號為1～4。

圖2 海堤典型斷面 （拋石加載至5.00m高程）原位觀測的成果圖

圖3 海堤典型斷面 （拋石加載至設(shè)計頂高程為7.70m）原位觀測的成果圖

1.3 加筋材料平均延伸率計算

該工程沉降板1、2、3、4之間的水平距離分別為21.03，6.48，11.40m，根據(jù)原位觀測成果及公式 （1）可以計算得到加筋材料平均延伸率見表1。

表1 通過原位觀測成果得到海堤加筋材料平均延伸率表

1.4 加筋材料的局部延伸率分析

海堤原位觀測成果分析表明，施工期及工程完工后正常運行工況下通過原位觀測得到的海堤加筋材料的平均延伸率為0.1%～0.7%，非常小，但這只能從總體上反映加筋材料的延伸率，與局部延伸率并不同步。

浙江平湖白沙灣至水口治江圍涂一期工程曾經(jīng)做過加筋材料應(yīng)變的原位測試［1］，共埋設(shè)6只應(yīng)變計，離堤中心距離分別為18，12，6，0，－6，－12m （外海側(cè)為正，內(nèi)河側(cè)為負），測試結(jié)果表明，正常運行工況下加筋材料的最大延伸率發(fā)生在堤中心，可達2.9%，距離堤中心18m的外海側(cè)延伸率僅為0.3%；在極限工況下，河海大學(xué)離心模型試驗測到的延伸率不大于5.0%［2］、荷蘭Alemere試驗堤測到的最大延伸率為4.0%［3］。

根據(jù)上述分析，可以得到正常運行工況下加筋材料的最大局部延伸率不大于4.0%，即加筋材料的允許延伸率可取4.0%。

1.5 加筋材料極限延伸率的確定

參照SL／T 225—98《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中極限抗拉強度與允許抗拉強度之間的關(guān)系，對極限延伸率和允許延伸率之間的關(guān)系列式如下：

式中：ζa為加筋材料的允許延伸率，%；ζ為加筋材料的極限延伸率，%；△ζID為考慮鋪設(shè)時機械破壞的延伸率增加量，%；△ζCR為考慮材料蠕變的延伸率增加量，%；FCD為考慮化學(xué)劑破壞影響系數(shù)；FBD為考慮生物破壞影響系數(shù)。

1.5.1 △ζCR的的確定

［2］、［3］中土工格柵、長絲土工布蠕變試驗結(jié)果，整理成蠕變應(yīng)變—時間曲線，時間橫坐標(biāo)采用lgt，試驗溫度控制在 （20±2）℃，濕度控制在50%～70%。具體試驗成果見圖4，其中虛線部分為延長線。

圖4 加筋材料的蠕變—應(yīng)變時間曲線圖

由圖4可知，長絲機織土工布的應(yīng)變時間關(guān)系函數(shù)為ζCR長絲機織土工布＝4.13lgt＋1.46lgt，土工格柵則為ζCR土工格柵＝4.55lgt＋0.68lgt。按海堤運行50a計算，則lgt＝lg 438000 ＝ 5.64， 得 到 △ζCR長絲機織土工布＝ 8.2%，△ζCR土工格柵＝3.8%。

1.5.2 △ζID的確定

由圖2可知，加筋材料下部為碎石墊層、上部為拋石，為檢驗加筋材料施工損傷后延伸率的變化情況，對加筋材料做如下現(xiàn)場試驗。

（1）試驗材料。加筋材料為經(jīng)編滌綸標(biāo)準型TGS－D－100－100、100kN／m長絲機織土工布。填料同海堤。

（2）場地布置。選擇已經(jīng)鋪設(shè)碎石墊層的空地，在垂直于堤身方向選擇30m×8m范圍作為試驗場地，場地布置見圖5。

圖5 場地試驗區(qū)塊布置圖

（3）施工及取樣。鋪設(shè)前取好加筋材料的標(biāo)準樣。碎石墊層厚度按設(shè)計厚度80cm，第1層拋石厚度按加載曲線允許厚度1.20m，結(jié)合海堤施工實際，不考慮振動碾、平碾的碾壓。試驗過程中不允許行人踩踏及車輛行駛而造成試驗材料不必要的損傷；1.20m拋石完成加載后將該層拋石卸載，卸載過程避免損傷加筋材料樣品。在確定所取樣品表面完成后，取好損傷樣。

（4）試驗結(jié)果與分析。取出的損傷樣肉眼觀察均有不同程度的破損。試驗結(jié)果見圖6、表2。

圖6 加筋材料典型試樣的拉伸曲線圖

表2 加筋材料試驗前后延伸率對比表

試驗結(jié)果表明，土工格柵和長絲土工布施工損傷后延伸率均有不同程度的下降，土工格柵△ζID土工格柵可達4.3%（經(jīng)向）、4.1% （緯 向）；長 絲 土 工 布 △ζID長絲機織土工布可 達7.5% （經(jīng)向）、5.9% （緯向）。

1.5.3FCD、FBD的確定

參照SL／T 225—98《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，F(xiàn)CD取1.25、FBD取1.15。

1.5.4 加筋材料極限延伸率的確定

考慮到海堤沉降差發(fā)生在橫向，加筋材料的鋪設(shè)方向為橫向，因此計算加筋材料極限延伸率取經(jīng)向數(shù)值。

1.6 加筋材料主要技術(shù)指標(biāo)

土工格柵類延伸率比較大的有經(jīng)編滌綸土工格柵、雙向拉伸塑料土工格柵，但也不超過15%；織造土工布類中長絲機織土工布經(jīng)向 （下同）延伸率最大可達35%，裂膜絲機織土工布可達25%，塑料編織土工布可達28%。因此結(jié)合前述極限延伸率的分析，海堤加筋材料推薦選用延伸率大的長絲機織土工布。

2 加筋材料的保護

加筋材料頂破分析見圖7。

圖7 加筋材料頂破分析圖

CD段的頂破情況按接觸面周邊徑向拉力相等，且考慮一定的安全系數(shù)Fs，可得到頂破強度FCBR的計算式如下：式中：Fs為頂破安全系數(shù)，不小于3；Fp為接觸點處顆粒所受向下壓力和向上反力之差，kN；dCBR為CBR試驗圓柱頂桿直徑，dCBR＝49.6mm；dc為平均接觸面直徑，（帶棱角的接觸面，如碎石、拋石），其中d為界50面石料的平均等效粒徑，。

式中：δ為加筋材料上的附加應(yīng)力。

軟基上海堤，對加筋材料最不利的有2種工況，其一是第1層拋石及車輛荷載作用下的工況，其二是海堤最終狀態(tài)工況。

式中：式中δ初為加筋材料上的初始附加應(yīng)力，p為第1層拋石施工時最大車輛滿載荷載重量，kN；b為車輪寬度，m；l為車輪接觸面長度，由于車轍深度的存在，可取0.5～1.0倍的車輪直徑，m；φ為拋石料的內(nèi)摩擦角，°；h為第1層拋石料的填筑厚度，m；γ為拋石料的容重，kN／m3。

當(dāng)p取80kN，b取0.2m，l取0.3m，φ取38°，h取1.2m，γ取18kN／m3時，可以計算得到δ初＝30.5 kPa。由于軟基初期強度不高，初期加載時車輛會使用較輕型號，厚度也不至太大，即使實際施工時設(shè)備偏重、厚度偏大，δ初也不會超過40kPa，否則就超出了地基及基礎(chǔ)（已經(jīng)鋪設(shè)碎石墊層并插設(shè)塑料排水板）的承載力。

第2種工況下δ竣工＝竣工時加筋材料上的最大附加應(yīng)力，在加筋材料上的海堤高度一般在8.0～9.5m，加筋材料上的最大附加應(yīng)力在145～170kPa。

由上述分析可知，起控制作用的為第2種工況。按照GB／T 17640—2008《土工合成材料長絲機織土工布》中加筋材料的基本技術(shù)要求，結(jié)合以上數(shù)據(jù)，可以計算得到，100kN／m長絲機織土工布對應(yīng)的最大d50為14.1～16.5cm。為保證塑料排水板的順利插設(shè)，設(shè)計一般要求碎石墊層粒徑不大于10cm，能滿足上述要求。通過上述分析我們知道，為滿足加筋材料的頂破強度要求，與加筋材料直接接觸的第1層拋石必須控制粒徑，或用碎石墊層替代。

3 結(jié) 語

通過對軟基上海堤鋪設(shè)的加筋材料的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）海堤中的加筋材料推薦選用延伸率大的長絲機織土工布。

（2）為保護海堤加筋材料，與加筋材料直接接觸的第1層拋石必須控制粒徑，就100kN／m長絲機織土工布加筋材料而言，第1層拋石的最大d50為14.1～16.5cm。顯然上述粒徑的拋石可用碎石墊層替代。

參考文獻：

［1］陳振華，李玲玲，王立忠，等 .海堤加筋的分析測試與材料選用 ［J］.巖土力學(xué)，2011，32 （6）：1824－1830.

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