模袋碎石多级重力式挡墙在铁矿弃石场稳定中的应用

成志荣 谭天憧 印长俊

【摘要】将一种新型模袋碎石多级重力式挡墙成功用于稳定铁矿弃石堆场。首先通过对挡墙自身稳定性和整体稳定性的理论分析，论证了挡墙具有同类毛石挡墙的安全性;然后通过经济效益比较，确定了这种挡墙比传统毛石挡墙要节省造价45%，提高施工速度4倍，所以能兼顾环保与经济;最后编制施工方案进行施工，通过实践证明这种新型挡墙的可行性。

【关键词】模袋碎石;挡墙;稳定;应用

模袋砌块是一种新型的加固土材料，一般来说是用编织袋填充碎石、砂或土等散体材料形成的土工合成块体，H. Matsuoka[1]称之为砂袋（soilbags）。模袋碎石（或称砂袋、袋装碎石）是模袋砌块的一种，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，坡脚75°的重力式挡土墙。模袋砌块提高了散体材料的强度，将模袋砌块按一定方式堆积连结，可用于堤坝填筑[3]、路基加固[4]和挡土墙[5]等工程，具有经济适用、有利于环境保护的优点。

2010年8月，本文作者受某铁矿委托利用弃石在山谷中建立一块地坪以堆放精矿粉。弃石场的材料为选矿后遗留的碎石，可以自然稳定，若再施加堆载，就需要借助挡土结构维持其稳定性。山谷的高差约20m，若采用混凝土挡墙则造价昂贵且不便施工，经过方案比选，决定就地取材，利用模袋碎石堆砌重力式挡墙。

1、挡墙设计方案

经过实地查勘测量，决定采用分级重力式挡墙，每级挡墙高4.5m，深入每级地坪0.5m，共5级。最下面一级挡墙长约25.8m，采用浆砌毛石;以上4级挡墙长度逐级递减，最上面一级挡墙长约54.8m，都采用模袋碎石重力式挡墙，共2679.74m3。如图1所示，挡墙横截面呈梯形，各级挡墙上边宽自下而上依次是2.38m，1.38m，0.88m，0.88m，下边宽自下而上依次是4m，3.4m，3.4m，3.4m。

如图2所示，挡墙砌筑材料主要采用模袋碎石，装袋用编织袋有两种，当地回收的聚乙烯材料（A袋）编织袋，，购买的新编织袋（B袋），其比较见表1，这两种编织袋性能经电子万能试验机（CSS-44020）进行测试，试件尺寸为30mm×200mm，其结果见表1，模袋碎石的力学试验等结果见表1;碎石其最大粒径约为40mm，重度19kN/m3;砌筑方式为错缝搭接，不得出现通缝，无粘结砌筑;为增强挡墙的整体性，砌筑时采取一些构造措施，在挡墙中增加了两层水平构造筋，构造筋材料采用直径6mm的钢筋构成纵横向网格，钢筋间距500mm，钢筋网上下有50mm厚水泥砂浆;为保护模袋不受紫外线和水破坏，在挡墙前表面采用了挂网加M5.0砂浆抹面，挂网与水平钢筋网相连接;为使挡墙内的水正常排出，挡墙中設置了3层排水管，其水平间距3m，另在最底层挡墙的地基中挖掘了一条截面1m×1m的导流沟，内填碎石。

2、模袋碎石的强度分析

H. Matsuoka et al的研究表明，将模袋作为整体，其表观粘聚力为：

式（1）和式（2）中：cm是模袋表观粘聚力，cs、φ和kp分别是模袋内填充物的粘聚力、内摩擦角和被动土压力系数，H、B分别是模袋的高和宽，T是袋子所受张拉力，当外力为零时，袋体不起作用（T=0）;外力越大， T越大（极限值等于袋子的破坏强度），编制袋的增强效果越明显，模袋强度越高。同时土工袋内的土颗粒将同时受到外部应力和袋体张力产生的附加应力的共同作用，使得土工袋内部土颗粒间的接触力增大，即有效应力增加。

在无侧限条件（即σ3=0）下，用碎石（cs=0，Φφ=38°）填充编织袋A、B，土工袋尺寸为75mm×50mm×10mm，则结合公式（1）和表1中袋子的抗拉强度，并根据摩尔库伦理论算得其抗压强度分别为672kPa和1.02MPa，根据以前的研究[5]，理论值一般比试验值稍小，因此，用理论值进行设计计算是偏于安全和保守的。

总的来说，模袋碎石提高了碎石的内摩擦角和粘聚力，碎石的休止角约为40°（图3a），经模袋约束后其堆积体的角度可达75°以上（图3b），只要模袋耐久性提高，模袋碎石就可作为挡墙砌筑材料使用。

3、挡墙的稳定性计算

模袋碎石挡墙首先要解决的是自身稳定问题，其次才是作为重力式挡土墙的稳定性问题。

3.1模袋碎石挡墙的自稳性分析

模袋碎石挡墙的自稳性来源于三个方面：模袋碎石自身强度、模袋碎石之间的摩擦咬合力、构造措施。第一和第三个方面已没有问题，所以分析着重于第二个方面，即模袋碎石的接触方式和搭接方式。

模袋碎石挡墙的自身失稳模式如图4所示，为简化计算，可近似采用平面滑动法分析模袋碎石挡墙自身稳定，下滑体的稳定系数Fs可按下式计算：

（3）

其中：

（4）

l=h/sinθ ，（5）

式（3），式（4）和式（5）中：G是下滑体的单位长度重力;θ是滑裂面倾角，θ=45°+φ/2;ω是挡墙正面倾角;γ是模袋碎石的重度;h是挡墙高度;l是滑裂面长度。

由式（3）可知，挡墙自身稳定系数Fs随着墙高h和模袋高度H的增大而减小，随袋体张力T和模袋内填充物内摩擦角φ的增大而增大，而与土工袋的宽度的关系不大。

我国规范[6]规定Fs不小于1.3。当倾角ω为90°时，最大理论稳定高度hmax（Fs≥1.3）可达40m以上。因此，本方案中挡墙高度4.5m，其自身稳定性肯定能满足要求，同时模袋碎石错缝搭接也提高了挡墙整体稳定性，挡墙的实际稳定效果应该更好，这也为用模袋碎石砌筑挡墙提供了理论基础。

3.2模袋碎石挡墙的整体稳定性分析

当模袋碎石挡墙的自稳性满足要求后，就可作为重力式挡墙来计算其整体稳定性。挡墙稳定性主要计算内容包括抗滑和抗倾覆稳定性验算;第1级挡墙下地基为微风化岩石，能满足地基承载力要求。根据工程需要在第5级挡墙后的地坪堆积精矿粉，计算第5级挡墙稳定性时地坪上的超载取q=76kN/m2，图1中各级挡墙的稳定性计算见表2。

4、模袋碎石挡墙的施工过程和经济效益分析

4.1施工过程

模袋碎石挡墙的施工流程如图5所示：

整个施工流程中，有几个工序需要注意：（1）通过试验发现，模袋碎石制作时，充填度宜为75%～80%时，这是袋体较饱满，模袋不至于被刺破或撕裂，并可发挥较好的性能。（2）模袋碎石要分层砌筑，错峰搭接，每砌筑一层用平板振动机振实，这样可增强模袋碎石的粘聚力和袋间的接触力（图6）。（3）墙后碎石也要分层振实，这样才能为下一级挡墙提供足够的地基承载力并减少其沉降。

4.2经济效益分析

挡墙施工过程简单高效，经济适用。现场施工数据表明，1m3需模袋29个，工程施工速度约为3.23 m3/工日，直接为133元/m3。而对于毛石砌块挡墙，工程施工速度约为0.76 m3/工日，直接为242元/m3。综上比较可知：在造价方面，模袋碎石挡墙比毛石挡墙可节约大概45%，在施工进度方面，前者比后者快约4倍，而两者使用的人力大致相当，若场地允许，使用机械生产模袋碎块，则施工进度更快。

5、结论与展望

由于铁矿的产量波动，碎石不能保证及时供应，施工工期历时1年半，期间停工累计9个月。在施工过程中，我们挡墙的沉降变形进行了多次观察，除了因差异沉降产生裂缝外，没有其它失稳现象;裂缝经修补后，大部分裂缝趋于稳定（图7）。另外，工地所在县年降雨量1435mm，雨后经常偶山体滑坡，本工程施工期间经受了2011年6月和2012年7月的暴雨蓝色预警，挡墙稳定，排水通畅。

挡墙竣工后的最终验方是2676.74m3，由于碎石不计造价，总造价26万元，单价97.1元/ m3，比预算还节省了27%;最终扩建的有效地坪面积约960m2，完全能够满足使用要求。

总的来说，模袋碎石挡墙不仅能有效稳定弃石场碎石，还能为铁矿提供精矿粉的堆场，既合理利用了弃石又比同类挡墙造价低廉，兼顾了环境保护和经济效益，值得推广。今后的研究方向将定位在模袋碎石生产机械的设计和施工工法的细化。

参考文献：

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

[2]松崗元.土力学[M].北京：中国水利水电出版社.

[3]中华人民共和国行业标准. SL/T 225-98水利水电工程土木合成材料应用技术规范[S].北京：中国水利水电出版社.

[4]中华人民共和国行业标准. JTG/T D32-2012公路土工合成材料应用技术规范[S].北京：人民交通出版社.2012

[5]王瑞，马石城，王宝峰.编织袋袋装水泥红土的力学性能试验研究[J].建筑科学.2008，24（3）： 32-35

[6]中华人民共和国行业标准. GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.2002

作者简介：

成志荣（1967.01-），湖南湘乡人，大学本科，高级工程师，主要从事设计管理及房屋结构设计工作。