海堤加筋材料的选用与保护

丁荣祥，姚小槐

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

土工合成材料加筋技术在海堤设计中应用十分广泛。目前常见的加筋材料有织造土工布类，主要有机织、经编土工布等；土工格栅类，主要有 （高密度）聚丙 （乙）烯单 （双）向拉伸土工格栅、玻纤土工格栅、钢塑土工格栅、经编涤纶土工格栅等。海堤设计中选用何种加筋材料最合适，从设计角度应该提出并落实何种保护措施是技术人员必须面对和解决的问题。

1 加筋材料的选用

1.1 加筋材料平均延伸率

由于建于软基上的海堤沉降量大、施工期沉降速率高，在海堤施工时均会进行原位观测，观测的主要项目之一是沉降。沉降板一般直接埋设在加筋材料上见图1，由几何关系可得沉降后加筋材料的平均延伸率为：

由式 （1）可知，加筋材料平均延伸率为相邻沉降板之间的沉降差与水平距离的函数。

图1 海堤沉降变形分解图

1.2 海堤典型断面原位观测成果

图2为抛石加载到5.00m高程 （即施工过程中）的海堤典型断面及原位观测成果图，图3为抛石加载到设计顶高程为7.70m的海堤典型断面及原位观测成果图，该工程在加筋材料上直接埋设的沉降板，编号为1～4。

图2 海堤典型断面 （抛石加载至5.00m高程）原位观测的成果图

图3 海堤典型断面 （抛石加载至设计顶高程为7.70m）原位观测的成果图

1.3 加筋材料平均延伸率计算

该工程沉降板1、2、3、4之间的水平距离分别为21.03，6.48，11.40m，根据原位观测成果及公式 （1）可以计算得到加筋材料平均延伸率见表1。

表1 通过原位观测成果得到海堤加筋材料平均延伸率表

1.4 加筋材料的局部延伸率分析

海堤原位观测成果分析表明，施工期及工程完工后正常运行工况下通过原位观测得到的海堤加筋材料的平均延伸率为0.1%～0.7%，非常小，但这只能从总体上反映加筋材料的延伸率，与局部延伸率并不同步。

浙江平湖白沙湾至水口治江围涂一期工程曾经做过加筋材料应变的原位测试［1］，共埋设6只应变计，离堤中心距离分别为18，12，6，0，－6，－12m （外海侧为正，内河侧为负），测试结果表明，正常运行工况下加筋材料的最大延伸率发生在堤中心，可达2.9%，距离堤中心18m的外海侧延伸率仅为0.3%；在极限工况下，河海大学离心模型试验测到的延伸率不大于5.0%［2］、荷兰Alemere试验堤测到的最大延伸率为4.0%［3］。

根据上述分析，可以得到正常运行工况下加筋材料的最大局部延伸率不大于4.0%，即加筋材料的允许延伸率可取4.0%。

1.5 加筋材料极限延伸率的确定

参照SL／T 225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》中极限抗拉强度与允许抗拉强度之间的关系，对极限延伸率和允许延伸率之间的关系列式如下：

式中：ζa为加筋材料的允许延伸率，%；ζ为加筋材料的极限延伸率，%；△ζID为考虑铺设时机械破坏的延伸率增加量，%；△ζCR为考虑材料蠕变的延伸率增加量，%；FCD为考虑化学剂破坏影响系数；FBD为考虑生物破坏影响系数。

1.5.1 △ζCR的的确定

［2］、［3］中土工格栅、长丝土工布蠕变试验结果，整理成蠕变应变—时间曲线，时间横坐标采用lgt，试验温度控制在 （20±2）℃，湿度控制在50%～70%。具体试验成果见图4，其中虚线部分为延长线。

图4 加筋材料的蠕变—应变时间曲线图

由图4可知，长丝机织土工布的应变时间关系函数为ζCR长丝机织土工布＝4.13lgt＋1.46lgt，土工格栅则为ζCR土工格栅＝4.55lgt＋0.68lgt。按海堤运行50a计算，则lgt＝lg 438000 ＝ 5.64， 得 到 △ζCR长丝机织土工布＝ 8.2%，△ζCR土工格栅＝3.8%。

1.5.2 △ζID的确定

由图2可知，加筋材料下部为碎石垫层、上部为抛石，为检验加筋材料施工损伤后延伸率的变化情况，对加筋材料做如下现场试验。

（1）试验材料。加筋材料为经编涤纶标准型TGS－D－100－100、100kN／m长丝机织土工布。填料同海堤。

（2）场地布置。选择已经铺设碎石垫层的空地，在垂直于堤身方向选择30m×8m范围作为试验场地，场地布置见图5。

图5 场地试验区块布置图

（3）施工及取样。铺设前取好加筋材料的标准样。碎石垫层厚度按设计厚度80cm，第1层抛石厚度按加载曲线允许厚度1.20m，结合海堤施工实际，不考虑振动碾、平碾的碾压。试验过程中不允许行人踩踏及车辆行驶而造成试验材料不必要的损伤；1.20m抛石完成加载后将该层抛石卸载，卸载过程避免损伤加筋材料样品。在确定所取样品表面完成后，取好损伤样。

（4）试验结果与分析。取出的损伤样肉眼观察均有不同程度的破损。试验结果见图6、表2。

图6 加筋材料典型试样的拉伸曲线图

表2 加筋材料试验前后延伸率对比表

试验结果表明，土工格栅和长丝土工布施工损伤后延伸率均有不同程度的下降，土工格栅△ζID土工格栅可达4.3%（经向）、4.1% （纬 向）；长 丝 土 工 布 △ζID长丝机织土工布可 达7.5% （经向）、5.9% （纬向）。

1.5.3FCD、FBD的确定

参照SL／T 225—98《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，FCD取1.25、FBD取1.15。

1.5.4 加筋材料极限延伸率的确定

考虑到海堤沉降差发生在横向，加筋材料的铺设方向为横向，因此计算加筋材料极限延伸率取经向数值。

1.6 加筋材料主要技术指标

土工格栅类延伸率比较大的有经编涤纶土工格栅、双向拉伸塑料土工格栅，但也不超过15%；织造土工布类中长丝机织土工布经向 （下同）延伸率最大可达35%，裂膜丝机织土工布可达25%，塑料编织土工布可达28%。因此结合前述极限延伸率的分析，海堤加筋材料推荐选用延伸率大的长丝机织土工布。

2 加筋材料的保护

加筋材料顶破分析见图7。

图7 加筋材料顶破分析图

CD段的顶破情况按接触面周边径向拉力相等，且考虑一定的安全系数Fs，可得到顶破强度FCBR的计算式如下：式中：Fs为顶破安全系数，不小于3；Fp为接触点处颗粒所受向下压力和向上反力之差，kN；dCBR为CBR试验圆柱顶杆直径，dCBR＝49.6mm；dc为平均接触面直径，（带棱角的接触面，如碎石、抛石），其中d为界50面石料的平均等效粒径，。

式中：δ为加筋材料上的附加应力。

软基上海堤，对加筋材料最不利的有2种工况，其一是第1层抛石及车辆荷载作用下的工况，其二是海堤最终状态工况。

式中：式中δ初为加筋材料上的初始附加应力，p为第1层抛石施工时最大车辆满载荷载重量，kN；b为车轮宽度，m；l为车轮接触面长度，由于车辙深度的存在，可取0.5～1.0倍的车轮直径，m；φ为抛石料的内摩擦角，°；h为第1层抛石料的填筑厚度，m；γ为抛石料的容重，kN／m3。

当p取80kN，b取0.2m，l取0.3m，φ取38°，h取1.2m，γ取18kN／m3时，可以计算得到δ初＝30.5 kPa。由于软基初期强度不高，初期加载时车辆会使用较轻型号，厚度也不至太大，即使实际施工时设备偏重、厚度偏大，δ初也不会超过40kPa，否则就超出了地基及基础（已经铺设碎石垫层并插设塑料排水板）的承载力。

第2种工况下δ竣工＝竣工时加筋材料上的最大附加应力，在加筋材料上的海堤高度一般在8.0～9.5m，加筋材料上的最大附加应力在145～170kPa。

由上述分析可知，起控制作用的为第2种工况。按照GB／T 17640—2008《土工合成材料长丝机织土工布》中加筋材料的基本技术要求，结合以上数据，可以计算得到，100kN／m长丝机织土工布对应的最大d50为14.1～16.5cm。为保证塑料排水板的顺利插设，设计一般要求碎石垫层粒径不大于10cm，能满足上述要求。通过上述分析我们知道，为满足加筋材料的顶破强度要求，与加筋材料直接接触的第1层抛石必须控制粒径，或用碎石垫层替代。

3 结 语

通过对软基上海堤铺设的加筋材料的分析，可以得出如下结论：

（1）海堤中的加筋材料推荐选用延伸率大的长丝机织土工布。

（2）为保护海堤加筋材料，与加筋材料直接接触的第1层抛石必须控制粒径，就100kN／m长丝机织土工布加筋材料而言，第1层抛石的最大d50为14.1～16.5cm。显然上述粒径的抛石可用碎石垫层替代。

参考文献：

［1］陈振华，李玲玲，王立忠，等 .海堤加筋的分析测试与材料选用 ［J］.岩土力学，2011，32 （6）：1824－1830.

［2］邹维列，王钊，林晓玲.土工合成材料的蠕变折减系数 ［J］.岩土力学，2004，25 （12）：1961－1963.

［3］储才元，张佑霞.土工布的动态蠕变及疲劳性能 ［J］.纺织学报，2002，23 （1）：33－35.

［4］沈林杰，陈道信.加筋加筋材料在海堤围垦工程基础处理中的应用 ［J］.地基基础工程，2006，9 （12）：50－51.