土工格栅在水利工程中的应用

【摘 要】随着人们生活水平的提高，人们对商用建筑和居住空间的要求都越来越高。与此同时，土工格栅加筋土在土木工程中也得到越来越广泛的推广和应用。文章结合实际工程案例，分析对软基加固及估算了复合地基的承载力，验证理论分析的正确性。

【关键词】土工格栅；软土基加固；应用

引言

土工织物加筋垫层加固软土地基是一种经济效益高、安全可靠且简单易行的方法。目前相关文献对土工织物加筋垫层加固软土地基的介绍大多为定性及经验，缺乏严谨的测试数据说明。

相对于桩基，土工格栅受力作用的原理和计算方法没有那么成熟，土工格栅作为主题加固措施的应用较少。在工程中，其承载作用的是桩土符合地基，土工合成材料只是作为改善符合地基桩同受力条件的辅助措施。然而，在实际工程中，对于工程建设经费不足且工期紧的工程来说，土工格栅经济效益高且简单易行，不失为一种值得推广应用的方法。

1、工程概况

拟建挡土墙为C30钢筋混凝土挡土墙，墙高5m，要求地基的承载力为200kPa，基础埋深不小于1.73m，而基底的地质情况自上而下为：①Qal4淤泥质粉质粘土，褐黄色，流塑为主，局部软塑，C=8kPa，φ=10°，σ0=80kPa，厚度约1～2m；②Qal4粉质粘土，褐黄色，软塑，C=18kPa，φ=16.5°，σ0=120kPa，厚约5～10m；③Qal4细砂，密实，饱和，σ0=150kPa，厚约2～4m，含淤泥质土及有机质；④卵石层，厚度分布不均，约0～2.2m，稍密；⑤风化中砂岩。从地质资料看，显然地基要做加固处理。

加固通过换填法用砂砾石进行换土处理，不过由于垫层的松散型，结合以往经验，用砂石垫层处理的地基通常存在均匀性差和陈将达等缺陷，出现上部结构出现裂缝和不均匀沉降的现象。该工程为高度较大的5m高的扶壁式钢筋混凝土挡土墙，若出现裂缝或不均匀沉降将造成严重后果，埋下安全隐患。考虑到这点，决定对垫层进行加筋处理。综合经济效益和技术要求，首先清除①Qal4淤泥质粉质粘土层，再对砂砾石垫层进行加筋强化处理。

加筋处理方法：开挖至基底设计标高，并铺一层200mm厚的碎石垫层后重型压实，然后在其上铺1层土工格栅，再在其上铺设100mm厚砂砾石并压实；第二层用装砂石的土工织物袋铺设，其空隙用矿渣填平，铺设100mm厚砂砾石，并压实；再在其上铺设第二层土工格栅，上铺100mm厚的碎石，压实，直到垫层顶的设计标高。本工程垫层共计，2层土工格栅，一层土工袋装砂砾石，3层碎石垫层。

2、工程设计验算

本验算不考虑挡土墙的抗滑动验算对地基的要求，只验算挡土墙所要求的地基承载力，工程实际中另有措施。

根据上述理论分析，确定各项设计参数，并验算设计合理性。如下：

（1）按照垫层的应力扩散方法计算：

Pz—相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；

b—条形基础底面的宽度（m）；

pk—相应于荷载效应标准组合时，基础底面的平均压力值（kPa）；

pc—基础底面处土的自重压力值（kPa）；

Z—基础底面下垫层的厚度（m）；

θ—垫层的压力扩散角（°）。

公式（1）中，由该挡土墙设计标准图可知，b=3.3m，要求基底最小容许承载力为200kPa，可取Pk=200kPa，Pc=18×1.8=32.4kPa，z=0.6m，查阅规范可知θ=0，计算Pz=3.3×（200-32.4）/3.3=167.6kPa，考虑到垫层的应力扩散作用时，基底承载力至少要达到167.6kPa，才能满足挡墙设计要求，而基底承载力只有σ0=120kPa，纯粹换填（换填厚度在合理值之内）无法达到设计要求的地基承载力

（2）现考虑垫层内加铺土工格栅，暂不考虑垫层和土工格栅的共同作用，只考虑土工格栅在基底的加筋作用，由公式（2）计算加筋土复合地基的极限承载力如下：设计时其地基极限承载力Ps+c的公式如下

（2）式中：

α、β—基础的形状系数，一般取α=1.0，β=0.5

c—土的黏聚力；

p—土工合成材料的抗拉强度；

b—基础宽度；

Nc、Nq—与内摩擦角有关的承载力系数，一般取Nc=5.3，Nq=1.4；

θ—基础边缘土工合成材料的倾斜角，一般为10°～17°；

r —假想圆的半径，一般取3m，或为软土层厚度的一半，但不能大于5m。

公式右边第一项是没有土工合成材料时，原天然地基的极限承载力；第二项是在荷载作用下，由于地基的沉降使土工合成材料发生变形而承受拉力的效果；第三项是土工合成材料阻止隆起而产生的平衡镇压作用的效果。实际上，第二项和第三项均为由于铺设土工合成材料而提高的地基承载力。

所用土工格栅型号为单向拉伸聚丙烯TGDG120，每延m拉伸屈服力为120kN/m，屈服伸长率10%，2%伸长率时拉伸力36kN/m，5%伸长率时拉伸力为72kN/m。保证土工格栅满铺基底垫层内，同时保证土工格栅铺设后，两侧各回折不小于2m。

Ps+c=120+2×2×120/3.3×sin15°+2×0.5×120/3×1.4=213.6（kPa），满足设计要求地基承载力200kPa（挡墙设计已考虑结构安全系数）的要求。

如果考虑基底垫层的应力扩散作用、垫层碎石和土工格栅的共同作用另加土工袋装砂砾石作用，加筋土复合地基的实际承载力要比按照上述公式计算出的数值更大，实际更偏于安全。

3、土工格栅的施工注意事项

（1）土工格栅要预算其初期应力，其端部要有稳固的锚固来发挥土工织物的抗拉强度，锚固的牢固程度与承载力和地基中的应力分布均匀度成正比，锚固愈牢固，承载力提高愈多，地基中的应力分布也愈均匀。端部折起铺设的长度保证土工织物端部的固定，施工时，把端部折起包裹砂体，这样可以增加其握裹力，从而确保其使用期间不被拔出。

（2）施工程序对土工格栅的加筋效果有重要作用。施工时要提前让土工格栅处于受拉状态，只有在变形时土工格栅的抗拉强度才得以发挥，故在施工过程中要尽量拉平拉紧土工格栅，避免把土工格栅折皱。按照以下施工程序可以确保土工格栅在受荷初期有足够的应变：首先铺土工格栅，然后拉平拉紧两端，两端折起包裹砂砾并在两端填砂，然后在中心填砂，两端砂增高后，最后中心填砂。

（3）土工格栅加筋垫层要充分发挥袋装垫层的搞弯性好、扩散效果好、挠曲刚度大和平铺垫层的整体性、连续性好的优点。所以在施工中可以采用水平铺土工格栅与土工织物碎石袋垫层交替铺设。

（4）第一层碎石摊铺后应进行重型压实，而在土工格栅上填料摊铺压实时，宜采用轻型机械。为达到加筋土的加固效果，必须对加筋土施工工艺、施工质量进行严格控制。此法施工快，机具简单，投资省，经过几年的使用，表明加固效果良好。

4、结语

通过公式计算挡土墙的地基承载力，科学严谨的在施工过程中采用土工格栅技术，有利于工程建设的顺利完成，且经济效益高，缩短工期，施工安全。相信土工格栅加筋土会得到越来越广泛的应用和推广。