土工格柵加筋土擋墻在四平市城市防洪工程中的應(yīng)用

土工格柵加筋土擋墻在四平市城市防洪工程中的應(yīng)用

1項(xiàng)目總結(jié)1.1工程概況及工程特點(diǎn)四平市南河和北河的綜合處理是四平市城市洪水的主體。這兩條河流位于四個(gè)山區(qū)的整個(gè)城市，河流總面積為14.4公里。工程于2003年5月份正式開工建設(shè),于2005年末全部竣工。治理河段土工格柵加筋土護(hù)岸擋墻工程已運(yùn)行五年以上,且經(jīng)受了較大洪水考驗(yàn),運(yùn)行實(shí)踐證明,工程安全穩(wěn)定。建成后的四平市城市防洪工程典型河段外觀效果見圖1。1.2天然淺基礎(chǔ)南、北河為招蘇太河水系,屬東遼河支流,河道設(shè)計(jì)洪峰流量為:Q(p=2%)=422.8m3/s。在市區(qū)位于城區(qū)南面,河流由東流向西,屬常年性河流。多年來(lái)已成為市區(qū)工業(yè)、生活污水的主要排泄通道。河水主要來(lái)源于地表徑流,含有大量生活污水及工業(yè)廢水,工業(yè)污水對(duì)混凝土及金屬結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的腐蝕性。治理河段大部分可采用天然淺基礎(chǔ),以粗砂層為持力層,部分河段地層巖性為淤泥或淤泥質(zhì)土,承載力較低,需進(jìn)行人工換填。區(qū)域地震烈度為Ⅵ度。2河流雨棚結(jié)構(gòu)方案2.1河道斷面、護(hù)岸擋土墻南河河道斷面型式采用矩形斷面直立墻護(hù)岸形式。護(hù)岸擋墻高度4.5m～8m,墻面傾角為88°。河道寬度為40m～53.3m;北河斷面型式采用復(fù)式上、下直立墻形式,河道寬度為65m～90m,護(hù)岸擋土墻型式為疊式土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)。下級(jí)墻高3.49m～4.21m,上級(jí)墻高1.31m～2.0m,上、下級(jí)墻面傾角均為88°。2.2加筋土擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)河道護(hù)岸擋墻結(jié)構(gòu)型式本著就地取材的原則,主要集中進(jìn)行了三種結(jié)構(gòu)型式方案的比較,即:重力式漿砌石擋土墻、鋼筋混凝土懸臂式擋墻、土工格柵加筋土擋墻。三種方案的主要單位工程量及投資見下表1。通過上述方案的比選結(jié)果,顯然重力式漿砌石擋墻和土工格柵加筋土擋墻單位造價(jià)較低。對(duì)于重力式漿砌石擋墻其造價(jià)略高于土工格柵加筋土擋墻,但在適應(yīng)東北地區(qū)凍脹破壞、耐久性及美觀方面較土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)差。而加筋土擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式主要具有如下優(yōu)點(diǎn):1)河道護(hù)岸擋土墻高度為4.8m～8m,如果采用常規(guī)擋土墻結(jié)構(gòu)型式,工程造價(jià)往往隨墻高度的增加以平方速率增加;而相應(yīng)加筋土擋墻一般以線性速率增長(zhǎng),因而工程造價(jià)較低。2)墻體填料可選用廢棄粒料和部分建筑垃圾,即有利于環(huán)保,又可以節(jié)省工程投資?；靥盍峡稍诂F(xiàn)場(chǎng)用機(jī)械結(jié)合人工填筑,可分段流水作業(yè),施工方便、快速,可縮短工期。3)加筋材料有良好的耐腐蝕性,耐城市污水不同酸堿度的侵蝕,可以有效地提高工程的使用壽命。4)采用加筋土護(hù)岸結(jié)構(gòu),由于加筋填料透水性較好,因而對(duì)工后保持城區(qū)地下水與河水的互補(bǔ)自然生態(tài)關(guān)系具有特殊意義。此外,加筋土結(jié)構(gòu)較砼和漿砌石等傳統(tǒng)圬工結(jié)構(gòu)具有較好的適應(yīng)變形能力,對(duì)地基要求條件相對(duì)較低。5)由于加筋土支擋結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu),因而在抗震性能上也遠(yuǎn)優(yōu)于剛性擋墻?；谏鲜鼍C合分析、比較,本工程河道護(hù)岸設(shè)計(jì)最后確定采用土工格柵加筋土擋墻方案是合理的。3護(hù)岸和墻體設(shè)計(jì)3.1護(hù)岸加筋土擋墻工程南河護(hù)岸加筋土擋墻計(jì)算模型按直立墻獨(dú)立單元考慮;北河疊式結(jié)構(gòu)擋墻計(jì)算模型確定:上部擋墻按獨(dú)立單元考慮,下部擋墻計(jì)算時(shí)將上部擋墻作為附加超載按整體穩(wěn)定進(jìn)行分析計(jì)算。墻體穩(wěn)定驗(yàn)算荷載組合考慮墻體浸水及河水位驟降等最不利運(yùn)行工況。因河水位驟降作用于墻體上的反向滲透壓力按均質(zhì)土壩在庫(kù)水位驟降時(shí)浸潤(rùn)線解析法計(jì)算,其中,墻后填土的排水系數(shù)μ=αp,本設(shè)計(jì)取α=0.6。護(hù)岸加筋土擋墻工程加筋材料設(shè)計(jì)采用高密度聚乙烯(HDPE)單向土工格柵。設(shè)計(jì)要求加筋材料采用高強(qiáng)度、低蠕變、抗光老化性能優(yōu)良可靠的加筋材料,其中:納米級(jí)碳黑含量≥2.50%,且分散度優(yōu)良。為滿足工程設(shè)計(jì)耐久性要求,筋材的計(jì)算強(qiáng)度采用蠕變極限抗拉強(qiáng)度,并分別對(duì)筋材的質(zhì)控強(qiáng)度和相對(duì)應(yīng)2%應(yīng)變的抗拉強(qiáng)度做出了規(guī)范。部分軟基河段擋墻基礎(chǔ)處理采用聚乙烯(PP30×30kN/m)雙向土工格柵加筋墊層,土工格柵與基底摩擦系數(shù)采用0.4。加筋體填筑土料控制指標(biāo):干密度不低于18.5kg/m3,水下內(nèi)摩擦角Φ≥28°,填料壓實(shí)度不低于0.96。3.2墻體護(hù)面連接方案的確定加筋材規(guī)格及層間距Sv的選擇、布置按計(jì)算及構(gòu)造要求等綜合確定。本工程河道護(hù)岸加筋土擋墻墻面采用回包型式,筋材回包長(zhǎng)度為1.5m～2.0m,墻面回包端填料反濾層采用400g/m2長(zhǎng)絲無(wú)紡布。墻體護(hù)面采用天然精料石砌筑,料石與加筋體回包面間設(shè)厚370mm～400mm礫、碎石過渡、排水層;料石間及料石與加筋土體之間連結(jié)方式分別采用Φ16HDPE鎖棒及厚度為4mm～6mm高密度聚乙烯(HDPE)連接棒進(jìn)行100%連接。護(hù)面料石與加筋土連結(jié)做法,當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。通過反復(fù)實(shí)踐探索,最后確定采用如圖2所示的連接形式(專利號(hào)ZL2005200296647),即:分別采用φ16HPPE鎖棒及厚度為4mm～6mm的HDPE連接棒沿墻面長(zhǎng)度方向進(jìn)行50%連接。料石鉆孔直徑為φ20,孔深為50mm,護(hù)面料石砌體通過HDPE鎖棒和回包面預(yù)留主筋張緊、連結(jié)。3.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定試驗(yàn)計(jì)算墻體穩(wěn)定驗(yàn)算主要采用DIBT計(jì)算方法,筋材設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度分別采用不同規(guī)格格柵相應(yīng)的長(zhǎng)期殘余強(qiáng)度,筋材使用壽命為120年。3.3.1研究參數(shù)依據(jù)GB50290-98有關(guān)規(guī)定,土工格柵容許抗拉強(qiáng)度由下式確定:Τa=ΡcFiD?FCR?FCD?FbDTa=PcFiD?FCR?FCD?FbD式中:Pc為蠕變極限抗拉強(qiáng)度(kN/m);FiD為鋪設(shè)時(shí)機(jī)械破壞影響系數(shù);為材料蠕變影響系數(shù);FCD為化學(xué)破壞影響系數(shù);FbD為生物破壞影響系數(shù)。經(jīng)分析計(jì)算,綜合影響系數(shù)選取值為1.30～1.44。3.3.2材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定筋材垂直向布敷間距基本上分兩種:D1=0.43m,D2=0.645m,筋材長(zhǎng)度需通過穩(wěn)定驗(yàn)算及構(gòu)造要求確定。3.3.3抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算及材料墻體外部穩(wěn)定分析時(shí),土壓力按庫(kù)侖理論計(jì)算,取墻背摩擦角δ=2/3φb;土壓力系數(shù)按下式計(jì)算:Κa2=cos2(φb+ε)cos2εcos(ε-δ)[1+√sin(φb+ε)sin(φb-β)cos(ε-δ)cos(ε+β)]2Ka2=cos2(φb+ε)cos2εcos(ε?δ)[1+sin(φb+ε)sin(φb?β)cos(ε?δ)cos(ε+β)√]2式中:φb為墻背填土內(nèi)摩擦角;為墻背傾斜角。1)抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算采用下式計(jì)算:FSs=μ[G+(Ρdead+Ρlive)Lt+Eagv+Eapv]Eagh+EaphFSs=μ[G+(Pdead+Plive)Lt+Eagv+Eapv]Eagh+Eaph式中:FSs為水平抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);G為加筋體自重(kN);Pdead為墻頂永久荷載(kN/m2);Plive為墻頂活荷載(kN/m2);Lt為墻頂路面寬度(m);Eagh為主動(dòng)土壓力水平分量(kN);Eaph為由墻頂超載引起的土壓力水平分量(kN);Eagv為主動(dòng)土壓力垂直分量(kN);Eapv為由墻頂超載引起的土壓力垂直分量(kN)。2)抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算按下式計(jì)算:Κo=∑Μy∑Μo=Μg+Μeapv+ΜeagvΜpΜeagh+ΜeaphKo=∑My∑Mo=Mg+Meapv+MeagvMpMeagh+Meaph式中:Mg為墻體重力對(duì)墻址的力矩(kN·m);Meapv為墻頂超載垂直分力對(duì)墻趾的力矩(kN·m);Meagv為墻背主動(dòng)土壓力垂直分力對(duì)墻趾的力矩(kN·m);Mp為墻頂上部荷載對(duì)墻趾的力矩(kN·m);Meagh為墻背主動(dòng)土壓力水平分力對(duì)墻趾的力矩(kN·m);Meaph為墻頂所受荷載水平分力對(duì)墻趾的力矩(kN·m);Ko為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。3)地基承載力驗(yàn)算地基承載力驗(yàn)算分別采用美耶霍夫公式及材料力學(xué)公式:Ρmerf=ΝL-2E;Ρmanmin=ΝA(1±6Eb)式中:N為基底總垂直壓力(kN/m);B為基底寬度(m);A為基底面積(cm2);E為偏心距(m);地基承載力極限值按太沙基公式Pu=Nc·C+Nq·q+0.5Nr·B·r計(jì)算。疊式加筋土墻地基計(jì)算時(shí)取值分別為:上墻:Nr=1.2,Ng=3.57,Nc=8.29;下墻:Nr=14.28,Nq=15.0,Nc=25.0。3.3.4土壓力及抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算加筋體內(nèi)部穩(wěn)定驗(yàn)算采用DIBT計(jì)算方法,即分別對(duì)每隔3°的楔體滑裂面沿筋材層面及筋材層間潛在的滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算,設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)用WinWall軟件。筋材長(zhǎng)度及抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算采用公式:Τi=[(σvi+∑Δσvi)Κi+σhi]SviAr式中:σvi為筋材上部填土的垂直自重應(yīng)力(kPa);Δσvi為超載引起的垂直附加應(yīng)力(kPa);Ar為筋材面積覆蓋率;Sv為筋材垂直間距;Ki為土壓力系數(shù),按下式計(jì)算;Κi=ΚΟ-(ΚΟ-Κa)Ζi60＜Ζi≤6mKi=KaZi>6m抗拔力計(jì)算采用公式:Tpi=2σvi·B·Lei·f,其中計(jì)算時(shí)沿?fù)鯄﹂L(zhǎng)度方向可取B=1.00,f=?ptanφw,而:?p=0.85。3.3.5滑弧結(jié)構(gòu)墻體深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算采用如下公式:Fs=1m?in∑i=1(Witgφi+cilicos?i)+n∑i=1ΤiRicosβin∑i=0Wisin?i式中:m?i=cos?i+(tgφi·sin?i/Fs),其中:βi為滑動(dòng)面與筋材交點(diǎn)與滑弧圓心連線垂直向夾角;Ti為筋材抗拔力(kN/m);Ri為滑弧半徑(m)?？股顚踊瑒?dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算計(jì)算較軟件采用笛卡爾坐標(biāo)系,坐標(biāo)圓點(diǎn)定位為護(hù)岸擋墻腳趾點(diǎn),加筋擋墻位于第一象限。3.3.6河道護(hù)岸加筋土擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算加筋土擋墻穩(wěn)定分析條件主要由內(nèi)部穩(wěn)定和外部穩(wěn)定兩種情況控制,而本工程加筋土擋墻筋材鋪設(shè)長(zhǎng)度受外部穩(wěn)定條件控制,河道護(hù)岸加筋土擋墻典型河段穩(wěn)定驗(yàn)算成果見表2。由以上計(jì)算成果可見,各項(xiàng)穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,且經(jīng)濟(jì)合理。4加筋土支擋結(jié)構(gòu)物的選擇及材料選用(1)本工程的實(shí)踐證明,土工格柵加筋土支擋結(jié)構(gòu)其抗凍害性能優(yōu)良,適宜在嚴(yán)寒區(qū)域,尤其在河道治理工程中進(jìn)一步