充泥管袋加筋设计的简化计算

王永庆 丁 丽

(长江勘测规划设计研究院上海分院 上海 200439)

1 围堤的地基处理方法

近年来，上海及其周边地区在软土地基上筑堤时，普遍采用充泥管袋斜坡式围堤结构。而当地基土层淤泥含量较高，地基承载力不能满足筑堤要求时，需进行地基处理。围堤的地基处理方法，较为常见的有排水固结法、镇压层法和加筋法等。

排水固结法，通常在围堤堤基设置垂直和水平排水通道，利用堤身的加载预压，加速地基土的排水固结，使地基强度获得较快增长，以适应堤身荷载的增加，并使地基的沉降在施工期间大部分完成。排水固结法较常用的是在软土地基中插入塑料排水板，地表铺设排水砂（或碎石）垫层，形成垂直和水平的排水通道。但该法中塑料排水板的施工受限较多，施工工期较长，工程费用较高。

镇压层法主要是在堤身内外两侧增设梯形镇压平台，能够有效限制在堤身荷载的作用下地基土出现的塑性挤出和地面隆起，同时还能加快镇压层范围内的地基土产生部分固结，从而使地基强度获得增长。但该法增大了围堤断面尺寸，增加围堤工程费用。

加筋法通常有两种，第一种在充泥管袋的土工织物上加筋，其结构设计为在围堤底层设置一层或多层的统长充泥管袋。管袋采用高强土工织物，且土工织物上间隔布置丙纶绳加筋；第二种在充泥管袋之间设计土工格栅加筋，其结构设计为围堤底层往上铺设一层统长的充泥管袋后，铺设一层高强土工格栅，充泥管袋与土工格栅间隔铺设。为便于水平向的排水固结，加筋法通常将底层充泥管袋设计成编织布充填砂土，二层及以上则采用机织布。加筋法施工简单，施工工期短，可加强堤身整体性，有效提高地基承载能力。

围堤的地基处理方案，通常应根据地基土层的特性、淤泥层的厚度和围堤的坝高等不同，采取不同的地基处理方法，实际工程中地基处理常结合两种或三种处理方法进行。目前，上海及周边长三角地区在软土地基上筑堤，当淤泥层厚度小于10m 时，通常采用充泥管袋斜坡堤，在堤身一侧或两侧增设镇压平台，同时根据地基淤泥层的厚度，在堤身下设置一层或几层统长充泥管袋及加筋处理。

2 围堤地基加筋处理的设计要点

2.1 加筋土工织物的破坏形式

在软土地基上新建充泥管袋围堤，其破坏形式主要有2 种。一种是围堤整体滑动破坏，一般发生在施工期，由于地基土含水量高，土质流塑，筑堤时加载速度过快，来不及排水固结，发生圆弧滑动破坏；另一种是由于围堤断面上部横向断面高度不同，荷载分布不同，引起堤身横向不均匀沉降明显，堤身中心沉降较大，两侧较小，当这种不均匀沉降超过围堤结构允许范围时，围堤即发生不均匀沉降破坏。

当围堤发生上述两种破坏时，堤身加筋土工织物也随即破坏，但加筋土工织物的破坏主要是受拉破坏，即土工织物受拉延伸，且延伸率超过其最大延伸率，发生拉伸破坏。

2.2 围堤加筋处理的抗滑稳定计算

根据SL435—2008《海堤工程设计规范》及JTJ017—96《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》，对于软土地基较厚的围堤抗滑稳定计算，应考虑围堤施工时采取分级加荷预压，控制加荷速率，且在地基中设置加筋土工织物。因此，围堤的抗滑稳定计算应采用总应力法，淤泥层指标采用十字板剪切强度指标。稳定分析计算示意图见图1。

图1 稳定计算示意图

稳定计算安全系数K 按下式计算：

式中：PT为各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和；Si为地基土内第i 个条块滑体的抗剪力，不考虑固结作用；△Si为考虑地基土在围堤填料的作用下固结强度提高的抗剪力；Sj为围堤内第j个土条滑体的抗剪力；Pj为当第j 土条的滑裂面处于围堤填料内，该土条滑裂面与设置的土工织物相交时，该层土工织物每延米宽的设计拉力。

公式中的稳定计算关键问题是Pj值的确定，根据JTJ017—96《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》的规定，Pj即土工织物的设计拉力，取土工织物延伸率为10%所对应的拉力。

根据规范规定，采用现行的软基稳定分析法，对于加筋与未加筋情况，所得的安全系数K相差无几。考虑土工布产生的抗滑力矩后，K 只提高小数点后第2 位，与实际施工后堤坝稳定性的提高不相符合。根据实际工程观测资料分析，土工布拉力值并非为定值，而是沿线变化的。因此，由土工布产生的抗滑力矩与圆弧滑动位置有关，不同位置其抗滑力矩不同，故计算后会出现K 值提高较少的情况。

经过许多工程实践及查阅相关资料后得知，堤坝下铺设土工布加筋后除了增加土工布的拉力外，还存在另外一种附加力，即土工布与地基土摩阻作用力。稳定计算时，将摩阻力作为一种外荷载，作用在堤坝下地基土中，产生附加应力，再施加到圆弧滑动的地基土条上，计算得出安全系数K。附加应力的计算通常需要采用有限元方法计算，计算过程过于繁复，一般设计者均不便使用。为便于设计人员方便计算，采用简单法进行简化后计算如下：

式中：TCG为土工织物的设计抗拉强度，kN/m；Ts为土工合成材料的抗拉强度；λc为材料强度综合修正系数，土工织物和土工网取3.0；土工格栅取2.0。当按公式计算值大于土工合成材料延伸率为10%对应的拉力值时，其设计抗拉强度应取10%对应的拉力值；F为土工加筋织物与上下接触面的摩擦力值，kN/m；fGS为土工织物与土接触面的摩擦系数；Le为锚固长度，m；K为调整系数，对于土工织物取0.667，对土工格栅和土工网取0.9；φq为土体内摩擦角；Fm为锚固安全系数，对无黏性土取1.5，黏性土取2.0；σ0为作用在土工织物上的压应力，kPa。

2.3 加筋垫层的布置

加筋土工织物通常铺设于堤坝底的垫层中，在软土地基上的斜坡式堤坝，其断面尺寸一般都较大，堤底宽度也很大，甚至会超过100m。按加筋垫层的尺寸效应原理，如此宽的堤底采用全断面加筋是不合适的。实际工程运用中，并不需要在整个堤底都布满土工织物，因为整个堤底中有相当一部分是反压层，其填土高度不大，一般只有2～3m，软土地基能够承受而不会失稳。因而只要在主堤身下，甚至只在主堤身最高的部分下设置加筋垫层即可，但需要满足锚固长度的要求，这样既满足承载力和稳定性的要求，又能节省筋材用量，节省工程投资。

3 工程实例

横沙促淤圈围（六期）工程位于横沙岛东侧，共分为四个围区，围堤总长达17.176m。围堤采用充泥管袋斜坡堤结构。地质勘探表明：4#围区的北侧堤和东侧堤堤身下表层含有3～6m 厚的淤泥层。地基处理比选了水平加筋和塑料排水板两种方法，鉴于围堤滩面在0.0m 高程，塑料排水板若采用水上施工船，由于滩面较高施工困难；若采用陆地施工，需赶潮，施工作业时间短，对施工工期影响较大。因此，本次围堤地基处理推荐采用水平加筋和增加镇压层法。根据淤泥层的厚度不同，设置1～3 层底层堤身统长充泥管袋，管袋采用190g/m2的加筋编织袋，有利于水平向的排水固结。同时在堤身外侧设置6m 宽的镇压平台，如图2 所示。

图2 围堤断面示意图

围堤稳定计算采用理正岩土软件计算，并根据SL435—2008《海堤工程设计规范》附录M 进行复核。

选取最危险水位组合工况计算内外坡的稳定安全系数。为了方便比较，两种计算方法的参数取值均一致。堤身吹填土的重度γ=18.0kN/m3，C=10kPa，φ=22°，土工织物加筋的抗拉强度Ts=65kN/m，其余参数根据地质报告及相关规范可得。第一种方法采用理正岩土软件的有限元分析计算，得出外坡最小K=1.163，内坡最小K=1.349。计算圆弧示意图如图3 所示。第二种方法根据简化公式计算得出土工织物的设计拉力值 Pj=74.9kN/m，由此计算得出外坡最小K=1.129，内坡最小K=1.315。可以看出计算结果与软件分析结果有些差距，但差距在5%以内。同时也可以得出未计入摩擦力时的安全系数外坡K=1.010，内坡最小K=1.157。

图3 稳定计算圆弧示意图（单位：m）

从计算结果可以看出，目前的规范中在计算加筋土工织物时，土工织物加筋的设计拉力简单采用延伸率为10%的抗拉强度，未考虑土工织物与上下土层的摩擦力值，计算得出的安全系数偏小，未能真实反映实际情况。

4 结语

目前，土工织物加筋垫层在工程中已经得到广泛运用，特别是在软基上的堤坝（高速公路堤、海堤、港口岸堤等）工程中的应用更为广泛。实践证明，土工织物加筋不仅能有效地增加地基的稳定性，而且还可以减少并均化地基的沉降，同时，还具有造价低廉、施工简便快速等优点，其应用范围正扩展到更多领域。但是，在加筋垫层的工程运用中还存在不少问题。首先是设计方法理论研究落后于工程实践，使得当前的设计多数还处于经验阶段，施工工程中成功的例子还很难从理论上加以解析；其次是加筋垫层的效果还未得到充分的发挥，仍有进一步提高加筋效果的空间。

1 沈林杰，陈道信.加筋土工布在海堤围垦工程基础处理中的 应用.岩土工程界，2006，9（12）：50-54.

2 徐少曼.堤坝下软基加筋土工织物的允许抗拉强度确定.岩 土工程学报，1999（2）：247.