玻璃纤维经编复合土工布加筋层在连云港淤泥地基筑堤的应用

蔡辉，李增勇，沈雪松，马兴华，刘晓晖

（1.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏　连云港　222042；2.连云港市港口管理局，江苏　连云港　222042；3.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海　200120）

玻璃纤维经编复合土工布加筋层在连云港淤泥地基筑堤的应用

蔡辉1，李增勇2，沈雪松1，马兴华3，刘晓晖3

（1.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042；2.连云港市港口管理局，江苏连云港222042；3.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

玻璃纤维经编复合土工布加筋层强度很高、延伸率很小，被广泛应用于公路路面裂缝防治，但应用于淤泥地基上筑堤工程尚不多见。本次依托连云港港30万吨级航道徐圩港区航道配套的围堤工程，开展了玻璃纤维经编复合土工布在淤泥地基袋装砂斜坡堤应用的专项研究，通过材料研制、现场应用试验及原型观测、总结，初步解决了玻璃纤维经编复合土工布在淤泥地基袋装砂斜坡堤应用的技术问题。

玻璃纤维；玻纤布；淤泥地基；袋装砂斜坡堤

0　引言

连云港地理位置优越，是连接东西南北的纽带，加快连云港港建设对带动江苏沿海经济乃至我国中、西部区域经济协调发展意义重大。

连云港地区近岸滩地表层属于海相沉积，基本为淤泥，厚度8～20 m不等，含水量65%～80%，强度低，土质差，下卧土层基本为老黏土，承载力高。

袋装砂筑堤技术自20世纪80年代成功应用以来，设计施工技术已十分成熟，已被广泛应用于长江、沿海地区的水运、水利行业的堤坝工程领域，取得了良好的经济和社会效益。近年来，为适应软土地基、大风浪条件、深水条件，袋装砂筑堤技术也得到不断发展，已开发出复合土工充填袋、排水砂被、加筋砂被（通长砂袋）、机织布充填砂袋等多项专利技术，并成功应用于各项工程。其中加筋砂被（通长砂袋）利用多层土工织物袋的加筋作用，提高围堤的整体性和稳定性，减小淤泥地基沉降，解决了袋装砂在淤泥地基应用的稳定问题，但也暴露出围堤沉降变形较大的问题，究其原因是土工织物的延伸率过大。

为适应淤泥地基筑堤的加筋需要，近年来围堤工程界开发应用了多种加筋材料，主要有加筋软体排、土工格栅和加筋充填袋等。玻璃纤维经编复合土工布加筋层强度很高、延伸率很小，被广泛应用于公路路面裂缝防治，但应用于淤泥地基上筑堤工程尚不多见。初步判断，该材料对于在淤泥地基上修建袋装砂斜坡堤具有一定的应用前景[1]。

1　工程概况

结合连云港港30万吨级航道工程配套围堤工程建设，本次试验段选择在徐圩1号围堤进行（图1）。选择滩面-0.9～1.0 m进行玻璃纤维加筋试验，同时采用加筋软体排进行对比，试验长度520 m，其中采用250 kN/m玻纤布124 m，300 kN/m玻纤布212 m，加筋软体排184 m。

图1　1号围堤试验段平面布置图Fig.1　Plane layout of pilot section of dike No.1

为研究玻璃纤维经编复合土工布铺排船施工工艺，在西护岸北段设置试验段，试验段滩面高程-2.0 m，长度80 m，淤泥层厚度16～18 m。

徐圩港区典型地质表层均为淤泥，厚度12.1～21.9 m，下层粉质黏土。

各土层地质物理力学指标见表1。

表1　地质物理力学指标表Table 1　Geological physico-mechanical indices

2　试验

2.1材料研制

材料研制采用无碱玻璃为原料，不是石油制品，节能环保。专业单位经过多次试验，成功研制出玻璃纤维经编复合土工布，共有250 kN/m、300 kN/m两种规格，其中250 kN/m玻纤布采用六经二纬满穿编织并复合无纺布而成，加筋方向玻璃丝规格为4 000（tex/束）×200（束/m）；300 kN/m玻纤布采用六经二纬满穿编织并复合无纺布而成，加筋方向玻璃丝规格为4 000（tex/束）×240（束/m）。

玻璃纤维经编复合土工布幅宽4 m，长度可以根据需要定制生产。

经专业单位检测，结果满足相关技术要求，见表2。

表2　玻纤布特性表Table 2　Properties of fiberglass geotextile

2.2围堤结构设计

2.2.1围堤结构

地基采用排水板+砂被处理，堤身结构采用充填袋和开山石混和结构。顶宽7.0 m，围堤内、外侧标高3.0～4.0 m处设置镇压平台，平台宽度10～15 m，内坡1∶1.5，外坡上坡1∶1.5，下坡1∶2。外坡采用栅栏板+灌砌块石护面，采用无纺土工布反滤，护底采用抛石结构。防浪墙采用灌砌块石结构，见图2。

图2　充填袋斜坡堤断面图Fig.2　Cross-section of sloping dike built with filled sand bags

2.2.2加筋材料

1）1W0+708～1W0+832段

采用250 kN/m玻璃纤维经编复合土工布。

2）1W0+832～1W1+044段

采用300 kN/m玻璃纤维经编复合土工布。

3）1W1+044～1W1+228段采用150 kN/m加筋软体排。

2.3试验施工及原型观测

徐圩1号围堤试验段于2009年11月开工建设，2009年12月完成，2011年6月完成吹填至7.8 m。

共设置了4个原型观测断面，其中1W0+ 770、1W0+950为玻璃纤维经编复合土工布的观测断面，1W1+050、1W1+150为加筋软体排观测断面。

2.4试验效果分析

1）稳定效果分析

1号围堤试验段开工建设至今，历经了围堤主体结构建成、后方吹填淤泥至7.8 m等几个关键节点，2011年5月1日围堤整体通过交工验收。

从试验段围堤使用情况分析，采用玻璃纤维经编复合土工布加筋层的围堤始终保持稳定。

2）减少围堤沉降效果分析

采用不同加筋材料的2种断面钻孔显示的施工期沉降量均小于理论计算最终沉降量，其中玻纤布施工期沉降量与理论计算沉降量之比（87%）小于加筋软体排（97%），说明加筋材料对均化堤基应力分布，减少堤顶沉降量有一定作用，玻纤布的效果好于加筋软体排。试验观测断面固结度计算统计见表3。

表3　试验观测断面固结度计算统计表Table 3　Summary of calculated degree of consolidation of soil in pilot observation cross-section

3）减小水平位移效果分析

测斜数据显示，采用玻璃纤维经编复合土工布加筋层处累计水平位移151 mm，明显小于采用软体排加筋层处的累计水平位移（分别是210 mm和224 mm），说明玻璃纤维经编复合土工布对于减少堤坝水平位移有明显作用。堤顶位置测斜数据统计见表4，1W1+050堤顶水平位移随时间变化曲线见图3。

4）经济性效果

玻璃纤维经编布应用于淤泥地基中斜坡段工程尚属起步，与水运工程淤泥地基中常用的高强机织布、高强土工格栅等加筋材料在加筋效果基本一致的情况下，目前价格相对较高，随着生产工艺的改进、生产的规模化、应用数量的增加和市场竞争的加剧，价格还有下降空间，经济性将进一步提高。同类型加筋材料经济性对比见表5。

表4　堤顶位置测斜数据统计表Table 4　Summary of inclining data observed at top of dike

图31　W1+050堤顶水平位移随时间变化曲线Fig.3　Relationship of horizontal displacement with time at 1W1+050 at top of dike

表5　同类型加筋材料经济性对比表Table 5　Economic comparison of different types of reinforcing materials

5）船铺施工效果

玻璃纤维经编复合土工布水下铺排船铺设施工工艺基本可行。

3　设计

3.1基本原则

1）采用单层玻纤布，避免采用多层玻纤布。

2）保证底部垫层的平整度，单层玻纤布工作的协同性取决于底部垫层（充填袋）的平整度，若平整度好，则玻纤布受力的协同性好，反之则协同性差。玻纤布用于公路路面裂缝防治就是将玻纤布铺设在基层和面层之间，基层的平整度非常好，保证玻纤布同步工作。

3.2断面布置要求

本次研究试验表明，为充分发挥加筋效果，玻璃纤维经编复合土工布应尽量设置在断面底部。

3.3垫层设置及平整度要求

玻纤布加筋层极限延伸率取2%，参照JTJ239—2005《水运工程土工合成材料应用技术规范》[2]关于综合强度折减安全系数的规定，玻纤布加筋层工作延伸率取0.4%，当平整度为5.5 cm/100 cm或平整度为2.75 cm/50 cm时，平整度引起的加筋层延伸率为0.6%，合计延伸率为1%，为极限延伸率的50%，其强度折减安全系数为2。

因此，为保证加筋层同步工作，垫层平整度建议值为：玻纤布的垫层平整度应达到5.5 cm/ 100 cm（1处凹凸）或2.75 cm/50 cm（1处凹凸）。

3.4锚固构造要求

玻璃纤维经编复合土工布必须采取可靠的锚固措施。根据规范[2]，玻璃纤维经编复合土工布作为加筋层，必须采取可靠的锚固措施和设置足够的锚固长度。

3.5横向接缝限制措施

为充分发挥玻璃纤维经编复合土工布的加筋效果，玻璃纤维复合布单块长度应根据需要定制生产，横向不应设置接缝。

3.6上部保护措施

根据本次试验经验，玻纤布一经铺设，同时在其上部充灌充填袋，可以有效保护玻纤布加筋层，同时也可避免上部抛石结构施工对玻纤布的破坏。

4　计算方法

4.1整体稳定计算

玻璃纤维经编复合土工布加筋层加筋工作原理与加筋软体排基本一致，可以参照《水运工程土工合成材料应用技术规范》[2]相关公式进行计算，但其延伸率很小，具有脆性特点，须对综合抗拉强度的取值作适当修正，现阶段研究建议综合抗拉强度折减系数在垫层平整度5.5 cm/100 cm（1处凹凸）或2.75 cm/50 cm（1处凹凸）的情况下取5，在垫层平整度5.75 cm/100 cm（1处凹凸）或2.875 cm/50 cm（1处凹凸）的情况下取≥6。

4.2沉降计算

JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》[3]和《水运工程土工合成材料应用技术规范》[2]均没有提供有加筋材料情况下的沉降计算公式。为体现加筋材料的影响，应针对堤顶和平台采用不同的经验系数ms，其中堤顶位置的ms比不加筋情况下的ms略小，镇压平台位置略大，且当加筋材料拉力越大、变形率越小时，修正幅度越大。

研究建议，在设置玻纤布加筋层淤泥土地基情况下，堤顶沉降经验系数ms宜取1.15左右。

5　应用条件

1）在淤泥地基上修建对堤顶沉降、水平变形要求较高的斜坡堤。

2）垫层平整度有保证的情况。

在垫层及玻璃纤维经编复合土工布平整度有保证的情况下，玻璃纤维经编复合土工布可以同步工作起到加筋效果，反之应谨慎使用。

玻璃纤维经编复合土工布加筋层抗拉强度大，变形率小，不超过3%，变形很小时就达到了设计抗拉强度，属于脆性加筋材料。作为工程中的加筋材料，要求其能同步受力。根据脆性材料特性，要保证玻纤布同步受力，就要保证其同步变形，而要保证其同步变形，就要求其在铺设过程中足够平整，要保证其平整，关键是其下侧垫层要平整。根据本次试验表明，在垫层平整度有保证的情况下，玻璃纤维经编复合土工布可以同步变形，从而同步工作，起到加筋效果。

反之，若垫层不平整，则玻纤布铺设后不可能平整。承受荷载作用后原本较紧的一部分玻纤布先变形受力，由于变形率太小，很快达到设计强度，而较松弛的玻纤布此时不受力或受力很小。随荷载逐步增大，先受力的玻纤布承受的应力超过其抗拉强度而拉断破坏，拉断后围堤变形增大，较松弛的玻纤布开始受力，由于一部分玻纤布已经拉断破坏，后受力的玻纤布应力也很快超过其抗拉强度而拉断破坏。依此发展，极有可能整个玻璃纤维经编复合土工布加筋层全部拉断破坏失效，从而严重影响围堤自身安全。因此，在垫层平整度不能保证的情况下，应谨慎使用[4-6]。

结合目前的施工工艺水平，提出建议。

1）低潮露滩部位：便于垫层施工和平整度检查，垫层的平整度容易得到保证，玻纤布加筋层是可以适用的。

2）水下部位：垫层施工受风浪、流、铺设充填工艺的影响较大，且平整度检查较为困难，建议充分考虑平整度对玻纤布同步工作效果的影响。

6　结语

玻璃纤维经编复合土工布属于新型材料，本次研究基本解决了材料研制、高滩部位的工作机理及设计计算方法以及水下铺设工艺等问题，为玻璃纤维经编复合土工布在淤泥地基中筑堤应用提供了初步的理论基础和技术支持。玻璃纤维经编复合土工布作为新型材料，不可能通过本次研究解决所有问题，还需要在后续研究中继续深化。

[1]中交上海航道勘察设计研究院有限公司，连云港港30万吨级航道建设指挥部.玻璃纤维经编复合土工布加筋层在连云港淤泥地基筑堤的应用技术研究[R].2012. CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Navigation Channel for 300 000 dwt Ships for Lianyungang Port.Research on application of reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile in dike construction on mud foundation in Lianyungang[R].2012.

[2]JTJ 239—2005，水运工程土工合成材料应用技术规范[S]. JTJ 239—2005,Technical code for application of geosynthetics for port and waterway engineering[S].

[3]JTS 147-1—2010，港口工程地基规范[S]. JTS 147-1—2010,Code for foundations in port engineering[S].

[4]张功新，董志良，刘吉福，等.土工布在高速公路软基加固中的应用分析[J].中国港湾建设，2006（1）：30-33. ZHANG Gong-xin,DONG Zhi-liang,LIU Ji-fu,et al.Analysis and application of geotechnical fabric in improvement of soft ground of express highway[J].China Harbour Engineering,2006(1):30-33.

[5]马兴华，张晴波，陈学良.土工合成材料在堤坝工程中的应用[J].中国港湾建设，2008（5）：5-8，20. MA Xing-hua,ZHANG Qing-bo,CHEN Xue-liang.Application of geosynthetics in construction of breakwaters and dams[J].China Harbour Engineering,2008(5):5-8，20.

[6]毛元平.土工合成材料在天津港地区海上堤埝工程中的应用[J].中国港湾建设，2008（3）：5-8. MAO Yuan-ping.Application of geosynthetics in offshore breakwaters and cofferdams[J].China Harbour Engineering,2008(3):5-8.

Application of reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile in dike construction on mud foundation in Lianyungang

CAI Hui1,LI Zeng-yong2,SHEN Xue-song1,MA Xing-hua3,LIU Xiao-hui3
（1.Directorate for Construction of Navigation Channel for 300 000 dwt Ships for Lianyungang Port,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;2.Lianyungang Port Authority,Lianyungang,Jiangsu 222042,China;3.CCCC-Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

Reinforced layer of warp-knitted fiberglass composite geotextile has high strength and very low extensibility,so it is widely used in the prevention and repair of cracks in the road surface.However,it is not much used in dike construction on the mud foundation.Based on the dike construction in the Xuwei Port Area for the navigation channel for 300 000 dwt ships in Lianyungang Harbor,we carried out a special research on the application of warp-knitted fiberglass composite geotextile in the construction of sloping dike with sand bags on a mud foundation.Technical issues in applying warp-knitted fiberglass composite geotextile in the dike construction on mud foundations were solved through material development,field application test,and prototype measurement.

fiberglass;fiberglass geotextile;mud foundation;sloping dike built with sand bags

U654

A

2095-7874（2016）09-0017-05

10.7640/zggwjs201609004

2016-04-18

江苏省交通运输厅研究项目（09Y23）

蔡辉（1962— ），男，江苏扬州市人，工程师，港口与航道工程专业。E-mail：13775483888@163.com