土工材料在堤防加固地基的应用特性及施工质量控制

张智明

(肇庆市高要区新桥镇农林水综合服务站，广东 肇庆 526000)

0 引 言

过去相当长的时间下，堤防工程的建设和改造加固都由于受物质材料本身条件所限，往往在建设和抢险工程中使用的基本都是诸如土料、石料、木材等等天然建筑材料[1]。随着后来钢材和混凝土地广泛应用，极大地提升了堤防的工程的强度和耐久度。当前，新材料的出现和逐步推广使用为水利工程建设提供了新的解决问题的方法和途径。特别是在堤防工程中广泛地应用一些新型土工合成材料、复合材料，例如模袋混凝土取代过去的浆砌石护坡和抛石护坡、钢筋石笼被土工抛石网笼取代、格网石笼护岸[2]等等。

土工合成材料目前已经广泛地应用在水工建设中，土工合成材料用能够增强改良软土地基承载力的优势作用，可以用来作为加固材料加固施工平台兼做垂直方向的排水层。地基软弱土层能够加固固结在使用预制垂直排水管时，并且具有更好的流动性相比传统排水渠[3]。而在堤防工程中最经常被广泛应用的就是用土工合成材料用来加固地基，快速提升其稳定性，加筋层不仅节约了充填的材料，节省了施工时间，并且极大的增强堤坝下部土体的稳定性。

当然，目前针对加筋能否提升堤防工程的抗滑稳定性仍还存在有一定的异议。异见者普遍在用圆弧滑动法在对其稳定性分析时，认为加筋增强抗滑稳定性主要是由于筋材在承受拉力后增加了抗滑力矩，提升作用≤2%，影响有限[4]。而支持者普遍在综合了现场堆载破坏实验和有限元分析筋材与土的复合作用，最大能够提升30%的作用。

文章以广东某江干流某堤防段的治理工程为例，针对部分滑移或损毁段需加固或重建段堤防，对其下伏软弱地基层使用复合加筋土进行处理，对在不同工况下甚至极限稳定下不同筋材的受力性状和对堤防抗滑稳定性的影响情况进行分析，建立Plaxis有限元模拟分析，并且对筋材进行经济技术对比，施工过程中的质量进行把控，论证了加筋土处理软土堤防地基的有效作用，以期为类似的软土地区堤防工程的地基处理提供了类似的参考经验。

1 项目概况

1.1 水文条件

该河流流域东西宽136.5km，南北长172km，干流全长307km，流域集水面积为14061km2，该河流在全市境内有集雨面积10424km2，河长270km，平均坡降0.4‰。

1.2 工程地质条件

本工程目前堤基土主要为:①层第四系人工填土层(Q4ml)-素填土，主要由黏性土、少量砂砾和碎石等组成，土质不均匀。平均层厚3.5m；②层第四系冲积层(Qal)，由粉粒和黏粒组成，含少量砂砾，干强度中等，韧性中等，岩芯呈土柱状，平均3.8m；③中粗砂，主要由粗砂、中砂组成，含少量粉细砂和黏粒，分选较差，平均3.5m；④粉质黏土，岩芯呈土柱状，含粉粒和黏粒，干强度中等，韧性中等，切面较平整，平均12.50m，总体地基土质量分布不均匀，土质较差，地基土需要处理。

1.3 工程设计

该河流地处广东省东北部，属于某大河上游，是粤东丘陵地带的一部分。本次治理段堤防设计防洪标准均取20a一遇，20a一遇起退水位为102.64m。

堤防的布置的导线与既有的河岸导致布置基本一致，加固时需要重新建堤顶的混凝土道路，对堤坝的前后坡面进行加高培厚。由于部分重建开挖过程回填的土方过大，重建部分水泥路使得投资量增加，并且该段的现状堤顶和设计堤顶的高程相差不大。所以将损毁段的防治导线外移5m作为该段的防治导线，加宽堤顶至5m进行前坡的培厚，部分堤段堤顶高程和堤顶的水泥路进行保留。重建段的堤顶路采用原堤顶的水泥路面标准，防浪墙高度0.5～1.2m，采用C25混凝土路面厚200mm。堤后为房子，堤前滩地较窄，长0.8km。保持堤顶高程不变，维持现状混凝土路面。堤内使用海砂回填对坡进行培厚。堤顶背水侧新建0.7m宽，净尺寸为0.40m×0.40m的排水沟，增栅格盖板在其顶部。堤外坡护岸与原护坡相同，增设C25的混凝土固脚在护岸挡墙外侧5m的地方。典型堤防断面图，见图1。

图1 典型断面图

对滑移倾倒重建段的堤防处软土地基使用土工格栅和塑料排水板进行复合加筋处理。选用的筋材为某公司研发的聚丙烯单向土工格栅(TGDG130)，该产品经过测算其拉伸强度为130kN/m，在发生2%、5%的应变时能够提供的最小应力是47kN/m和90kN/m。

1.4 软土地基加筋基本规定

依据岩土工程测试结果和堤防路堤的经验，将堤防工程分为三级。Ⅰ级堤防是临近重要构筑物的软土地基，例如桥梁、重要管线等重要构筑物；II级堤防是距离构筑物稍远处的软土地基，但构筑物的高度>3m；Ⅲ级堤防是距离构筑物较远，并且构筑物高度≤3m的软土地基。对于土工加筋材料对堤防进行抗拉强度设计加固时通常有。

(1)

式中：Tref为是拉伸强度加强后值；Tenv为降解环境产生的折减加固系数。

规定fmdfenv≥1.5为Ⅲ级；fmdfenv≥1.75为II级；fmdfenv≥2为Ⅰ级。

其中fmd是减少机械损伤因素，fenv是因为环境因素产生的加固退化缩减因子。由于受温度的因素影响，导致测试结果有不确定性，根据不同填充材料和加固类型的特征，fmd值从1.1到1.7变化。

2 有限元分析模拟

2.1 有限元分析模型

通过建立有限元模型，进行二维模拟分析，使用Plaxis 2D来分析计算。使用15节点三角形单元进行网格划分。模拟模型的计算网格划分，见图3。设置模型3～4倍距离为水平方向范围。底部标高为-50m。水平方向边界固定，设置为不透水。垂直方向双向固定，透水层。加载曲线按上图所示。在模拟计算中，输入参数弹性轴向刚度EA来模拟筋材的抗拉单元，材料的塑性通过轴向的最大拉力Np来考虑[6]。通过设置界面单元来模拟土体和土工格栅筋材的相互作用，使用参数的界面强度折减因子Rinter来反映两者之间的互相摩擦作用。模拟断面网格划分图，见图2。

图2 模拟断面网格划分图

针对二维有限元模拟计算竖向排水体有许多方法，此次主要采用等效砂墙法[7]，调整土体渗透系数为相应的土体原先D倍，则调整计算公式为：

(2)

式中：L为砂墙的等效间距同排水板间距比值，取2～4，此次取2.9，等效砂墙相应间距4m；n为井径比，n= de / dw。则dw是排水板等效直径，de是等效的排水板影响直径；s为涂抹比；kax/ks为涂抹区的土体渗透洗漱比。计算得D=0.82。

通常一般使用摩尔-库伦理想下的弹塑性模型来建立堤坝地基土体基本模型，计算模型模拟参数表如下所示。土工格栅筋材的弹性轴向刚度取值2350kN/m。施工期间使用强度折减法进行稳定性分析计算。土层参数表，见表1。

表1 土层参数表

2.2 不同工况计算分析

计算结果对比了不同工况下筋材的最大应变，汇总了不同工况下的筋材最大应变量，筋材规格统一为土工格栅TGDG130，轴向刚度EA取值2350kN/m。 筋材在不同工况下的应变对比表，见表2。

表2 筋材在不同工况下的应变对比表

总结上述计算结果可以发现，筋材受力的主要影响因素包括：堤基土的渗透性、堤身材料模量、筋材铺设选择、堤基土模量、堤身荷载等。总体来说，堤防工程的荷载越聚集、堤基土的性质越差、堤身材料的模量越小、铺设的点选择越低，在其他条件相同时，筋材提供的拉力包括其应变也相应越大。

2.3 不同材料对稳定性对比

通过建立模拟工况，对相同拉伸强度的土工编织布和土工格栅使用强度折减法，同时对海堤在使用不同拉伸强度下的土工格栅加筋的安全稳定性系数进行比较。不同筋材安全系数对比(强度折减)，见表3。总结下表，发现土工格栅比编织土工布的作用大对提升堤防稳定的作用上在相同的极限强度下时。与此同时，土工格栅的轴向刚度越大，对堤防的稳定性提升越强。

表3 不同筋材安全系数对比(强度折减)

2.4 筋材特性总结

在堤防的底部地基土进行加筋处理可以明显的降低堤防坡脚处的表层地基土的隆起位移和减小堤防的侧向位移。但是如果将铺设两层加筋层之后，加筋土对位移的控制效果没有非常明显。

说明对堤基土进行加筋处理能够使得应力分布更加均匀，能够对堤基表面土和堤防自身的土体应力产生一定的分散效果，从而也避开了堤坝自身出现抗拉或者抗剪出现的塑性破损区。

在土工格栅作用下堤身出现最大拉应力在中部，筋材的受力也会逐渐均匀随着加筋层的增加，所受拉力也逐步减小。在有多层加筋层时，上层的土工格栅受力越均匀越小。

3 筋材对比和质量控制

3.1 筋材经济和作用效果对比

当前土工材料经常使用的筋材包括有两类，一类是格栅类，主要有聚丙烯单拉伸塑料类、聚乙烯双拉伸塑料类、塑钢类、涤纶经编类、玻纤类[8]。一类是土工织物类。土工格栅类的极限延展率约3%～10%，而土工织物类可达16%～35%。

堤防工程地基土的加筋效果的好坏，主要是取决于在对堤防整体的抗滑稳定性作用上。如果以圆弧滑动法计算整体的抗滑稳定性，对比不同筋材在以40kN/m的单宽拉力下的发挥抗滑移效果，经过对比分析同样抗滑效果下发现，堤防地基土在使用土工格栅比使用高强度编制土工布节约造价经济可低将近40%。

土工材料的筋材在堤防运行正常期间下产生的变形非常有限。即便堤基土处于临界稳定性情况下时，所产生的最大的临界变形程度也仅≤5%。

所以筋材的强度往往由于其产生的变形量过大而导致其不能正常发挥效果，所以应该优先选用极限变形满足工程需要并且轴向刚度大的筋材材料。土工格栅类材料与土工织物类的加筋材料相比更能够在海堤工程中发挥作用，由于其极限情况下的应变量小、和垫层间的接触摩擦力很大抗拔能力强、造价升本也低。土工格栅类筋材，由于塑钢类的格栅中有钢丝在海水堤防下埋藏地基土中容易被腐蚀，并且极限延伸率相比极限稳定状态下的海堤的筋材应变较小，所以不适用于河堤的地基土加筋处理。包括经编土工格栅个玻纤土工格栅都会容易由于河堤的土石料产生损伤。所以在进行河堤地基土加筋处理时，不充分考虑隔离或者反滤作用的话，首选的加筋材料应为单向拉伸塑料土工格栅。

3.2 安装质量控制

堤防地基土的土工材料的自身质量是决定其防护效果的的关键。在运输土工筋材材料时，应该避免长期的暴露暴晒，材料避免破损或污染。进场前需要抽检合格后再投入使用。

应该认真遵守设计规范和方案来进行铺膜，首先清理下部垫层中的废弃杂物，防治杂物损伤土工筋材，还要保证铺设的表面土层平整，铺设过程中控制好拉紧程度[9]。处理之外，还要处置好铺设间的接缝，特别是土工膜，接缝的处理是保证土工膜发挥其防渗功能的关键，如果处理不当甚至可能导致无法正常防渗，土工膜涨破，土工膜类织物类的搭接主要通过黏结剂，进行黏结前要先对连接地方进行清表处理，使用辊轧技术在涂抹黏结剂后对其进行凝结和固化。如果是土工格栅类使用搭接的连接方式，可以使用“U”形钉将格栅进行固定[10]，防止在搭接过程中筋材的褶皱或者产生扭曲等不利状态，同时为了整体搭接效果，间距上应该考虑搭接的宽度应该>20m。

4 总 结

堤防工程的加固技术往往重视于堤身的防护与加固，近年来经过普遍的调查发现堤防工程的损坏很多是由于地基土的软弱持力层较弱导致的。堤防加固也应提升到重视地基土的处理上来。文章着重研究的土工材料加筋土模拟研究，发现土工材料不仅有环保经济的优势，而且土工材料能够使得地基土的应力分布比较均匀，提升堤身的应力分散，避免应力集中塑性破坏。膜类织物可以起到很好的垂直截渗作用优势，而格栅类在相同极限应力下产生应变更小，发挥抗拔能力更强。同时也总结了，不同种类筋材在安装铺设时的质量控制原则。同时文章对土工材料的防渗性能研究还有不足的地方，在与传统的灌浆加固地基的对比研究不足。