加筋土擋墻在永定河倒虹吸工程中的應(yīng)用

1、加筋土擋墻在永定河倒虹吸工程中的應(yīng)用1) 工程概況永定河倒虹吸進水閘位于大寧水庫副壩下游，布置在大寧調(diào)壓池北側(cè)。進水閘為4孔3.4m3.8m(寬高)帶胸墻的潛孔閘；平行進水閘東側(cè)布置有退水閘，退水閘為1孔2.73.0 m帶胸墻的潛孔閘。兩閘間距4.5m，中間以分流墻相隔，見圖1。2） 工程設(shè)計方案進水閘采用潛孔平板閘門，固定卷揚啟閉機。閘墩頂布置工作橋及啟閉機房，考慮閘室與大寧水庫副壩相連，為便于閘門及啟閉機等設(shè)備安裝和檢修，設(shè)計閘墩墩頂高程與現(xiàn)狀大寧水庫副壩壩頂高程63.00m齊平。在閘室與大寧水庫副壩間，均回填至閘頂高程63.00m，形成平臺。平臺上修建倒虹吸進水閘、退水閘及大寧調(diào)壓池的管

2、理用房；將閘房與管理用房及設(shè)備用房統(tǒng)一布置。平臺處較為寬闊的場地有利于場地及交通布置。土工格柵擋墻為近些年開始進入國內(nèi)的一種新型擋墻結(jié)構(gòu)。它利用格柵與土顆粒的咬合及摩擦作用，使土體與格柵形成一整體結(jié)構(gòu)，自身達到穩(wěn)定狀態(tài)。邊墩后采用加筋土擋墻結(jié)構(gòu)則具有節(jié)省墻面板、免受水流沖刷影響、可以提高整體穩(wěn)定性等方面的優(yōu)點。在反復(fù)比較了加筋土擋墻應(yīng)用的優(yōu)缺點后，決定在本工程中采用加筋土擋墻技術(shù)修建水閘閘室邊墩外岸墻，并用之填筑閘室中墩間的空隙。3） 加筋土擋墻計算31 力學(xué)作用原理眾所周知，土體在被限制側(cè)向應(yīng)變的情況下，其抗壓強度(主應(yīng)力1)將得到很大程度的提高。加筋土技術(shù)就是利用了這一原理，在土體中施加與

3、土體有摩擦和互鎖作用的加筋材料，使埋置于土體中的材料上下界面通過摩擦和互鎖作用限制土體側(cè)向位移，從而給土體提供一個側(cè)壓力增量(3)。側(cè)壓力增量3 =Rf/Sy(Rf為加筋材料的抗拉強度，Sy 為加筋材料埋設(shè)的豎向問距)。在側(cè)壓力增量3 作用下，加筋土體被約束而處于彈性穩(wěn)定狀態(tài)，只要所使用的筋材有足夠的抗拉強度和摩阻力，使之不被拉斷和不沿筋材界面滑動，則使加筋土體產(chǎn)生破壞的最大主應(yīng)力將提高到比其未加筋時抗壓強度更高的值(1f)。這就相當(dāng)于對普通土體而言，加筋土可承受更高的堆載(加筋結(jié)構(gòu)相對于未加筋結(jié)構(gòu)可修建的更高)，或在加筋土為邊坡的基坑中加大基坑深度(普通基坑無法達到的深度)。從圖2，圖3中可

4、比較清晰地看出，加筋土結(jié)構(gòu)破壞載荷明顯高于未加筋結(jié)構(gòu)。圖3中Kfs為土體的強度包絡(luò)線，圓I為自然土體的靜止?fàn)顟B(tài)，對應(yīng)于圖2(a)，圓II為自然土體主動極限平衡狀態(tài)，對應(yīng)于圖2(b)，圓III為加筋土體的極限平衡狀態(tài)，對應(yīng)于圖2(c)。3.2 計算方法加筋土擋墻按極限平衡理論進行設(shè)計，計算的方法歸納起來主要有兩種：一種是錨固楔體法，另一種稱作雙楔體法。對于不同的穩(wěn)定條件(如抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定等)，不同的設(shè)計方法用于推導(dǎo)公式的假設(shè)不同。盡管如此，所有的設(shè)計計算都包括以下兩部分。外部整體穩(wěn)定計算：將加筋土體當(dāng)作是重力式擋墻，考慮其整體穩(wěn)定性，從而確定所需的加筋材料長度。內(nèi)部穩(wěn)定計算：考慮加筋土體內(nèi)

5、部的穩(wěn)定性，從而確定所需的加筋材料強度及其相互之間的垂直間距。不同的設(shè)計方法中采用不同的條件及假設(shè)，對于外部穩(wěn)定分析，見圖4。影響外部穩(wěn)定分析結(jié)果的主要假設(shè)如圖4所示。在進行外部穩(wěn)定計算時錨固楔體法與雙楔體法之間沒有根本上的區(qū)別見圖5，但是不同設(shè)計方法中采用的不同假設(shè)會影響加筋材料的長度。在進行內(nèi)部穩(wěn)定分析計算時，錨固楔體法假設(shè)一種失穩(wěn)可能(經(jīng)統(tǒng)計分析得出的最不利滑動面)，計算加筋土體內(nèi)的水平土壓力及其分布，即主動土壓力(如朗肯土壓力)。換句話說，用錨固楔體法進行設(shè)計時，假定土體內(nèi)不存在加筋材料計算水平土壓力，然后再考慮引入加筋材料來抵抗或承擔(dān)這部分土壓力。在雙楔體法中，假設(shè)加筋體存在大量失穩(wěn)

6、可能，在考慮由加筋材料提供抗失穩(wěn)力的同時進行結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定分析。這些失穩(wěn)可能包括與加筋材料相交的可能滑動楔體族、加筋材料層之間的可能滑動傾斜面及沿加筋材料面的可能滑動面。采用這種方法進行設(shè)計時，由于對多種可能破壞的滑動面進行了驗算并且這種方法不受單一失穩(wěn)假設(shè)的限制，因此這種方法更接近實際情況。錨固楔體法也稱DEMO法，由美國聯(lián)邦公路協(xié)會(FHWA)提出，由于便于計算，我國的加筋土擋墻設(shè)計規(guī)范中引用了此項方法。雙楔體法由德國建筑技術(shù)研究所(DIBT)提出，因此也稱DIBT法，這一廳法多在歐洲及英屬聯(lián)邦國家使用。永定河倒虹吸進口水閘擋墻設(shè)計先采用DIBT法進行初步設(shè)計，再利用國內(nèi)土工合成材料應(yīng)用技術(shù)

7、規(guī)范(GB5029098)和水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(SL/T22598)進行計算驗證。經(jīng)DIBT法計算閘邊墩后采用單向格柵為56層，格柵間距300 mm，長20 m。即穿過滑動面的加筋材料是56層，每層筋材所能提供的最大抗力是34.3 kN/m，則加筋材料所提供的最大抗斷裂力是5634.3=1920.8kN/m。也就是說，在此情況下，加筋材料不會被拉斷。3.3 擋墻穩(wěn)定計算3.3.1 計算工況設(shè)計工況：擋墻完建期，墻后回填土；校核工況：擋墻正常運用，遭遇地震3.3.2 筋材抗拉強度計算計算公式Timax=37.66 kN/m 對應(yīng)的Ta=150.64 kN/m由計算結(jié)果可得筋材受

8、拉強度小于允許抗拉強度，可以滿足要求。3.3.3 筋材抗拔穩(wěn)定計算計算公式 式中： Fs一筋材抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)；Fs一允許筋材抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)；Fs =Tpi/ Ti ；Tpi筋材抗拔力； Ti一筋材承受的水平拉力。計算成果見表1。3.3.4 抗滑穩(wěn)定計算計算公式式中：一抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；一允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，見表1。計算結(jié)果見表1。以上結(jié)果顯示，設(shè)計加筋土擋墻抗拔穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定計算滿足要求，結(jié)構(gòu)是安全的。4） 施工技術(shù)要求土工格柵加筋土擋墻與閘室邊墩間距100mm，加筋土擋墻施工完成后填筑聚苯板和卵礫石，聚苯板厚50mm，卵礫石直徑3050mm。聚苯板應(yīng)在每層加筋土的填筑后分層放置。加筋

9、土擋墻施工應(yīng)在邊孔閘室施工完成后進行。由于該擋墻結(jié)構(gòu)對變形控制要求比較嚴格，因此擋墻施工時要按以下要求進行。擋墻設(shè)計位置開挖基坑，基礎(chǔ)壓實后鋪設(shè)第一層格柵，基礎(chǔ)壓實寬度與基坑開挖寬度相同。格柵末端用木楔固定拉緊，填筑第一層砂料，在墻面部位碼放一層裝滿砂礫的聚乙烯編織袋擋土，碾壓壓實后將第一層格柵反包。 反包50cm格柵，用連接棒與上一層格柵交叉穿孔連接，而后采用張拉梁繃緊，并用木楔固定于下層土體上。依次碼放編織袋，填土并碾壓，重復(fù)步驟2、3直至設(shè)計高程。碾壓要求同一般碾壓規(guī)范要求，距墻邊2 m范圍內(nèi)，用小型碾或蛙夯壓實，壓實相對密度D0.7。(當(dāng)兩層格柵間距大于等于600 mm時，按要求在靠近

10、墻面的填土中鋪放1層SS20雙向格柵作為次加筋，SS20沿主筋材鋪設(shè)方向的長度應(yīng)不小于2m)，機械填土?xí)r車輪與筋材間距應(yīng)大于15 cm。當(dāng)填土至鋪設(shè)次加筋格柵高度時，將次加筋格柵攤鋪在壓實填土上。在靠近加筋墻的外側(cè)每隔五個格柵網(wǎng)孔用HDPE繩子螺旋式地將SS20與反包的主加筋格柵捆綁在一起。拉緊捆繩，并將它固定后，繼續(xù)填土至下一主加筋層。連接繩抗斷裂強度應(yīng)不小于2O kN/m，炭黑含量大于等于2%。用穿過格柵網(wǎng)孔而鉤住格柵的張拉梁對主加筋格柵施加張拉力，繃緊格柵之間的連接并使在其之下的結(jié)構(gòu)面上的反包格柵繃緊。在保持張拉格柵的同時，在格柵上填鋪一層填土，以保證張拉設(shè)備移去后格柵不會回縮。釋放張拉

11、力并移去張拉梁。重復(fù)以上步聚直至完成符合設(shè)計要求的全部填土施工。最頂層土工格柵應(yīng)足夠長(并不小于5.0 m)埋在填土面下，保證填土可提供足夠的約束力以永久性地錨固格柵。5） 質(zhì)量檢測永定河倒虹吸進水閘邊墩背水面不同填土高度位置分別埋設(shè)土壓力計，用于測定作用于結(jié)構(gòu)邊墩的側(cè)向土壓力。各斷面土壓力監(jiān)測結(jié)果見圖1及表2所示。為了便于比較加筋土擋墻的作用，本工程箱涵段土方回填都直接采用回填土填筑，在一段埋深約14 m的鋼筋混凝土箱涵(DY2+020斷面)側(cè)墻外也分別在上、下不同高度位置埋置了土壓力計，其回填材料及回填標(biāo)準(zhǔn)與進水閘相同。施工后監(jiān)測結(jié)果見表3及圖2所示?，F(xiàn)就施工后監(jiān)測結(jié)果分析討論如下。 極限

12、土壓力及其發(fā)生條件。土壓力設(shè)計荷載是基于朗肯和庫倫土壓力理論，并以最不利條件下的極限土壓力作為設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值。極限土壓力計算見表4。表4中給出了各種極限平衡狀態(tài)下的土壓力系數(shù)(即Ko、Ka、Kp )，通常用于計算極限土壓力設(shè)計荷載的的標(biāo)準(zhǔn)值。實際上，極限土壓力只是在特定的極限平衡條件下發(fā)生的。一般認為。極限土壓力發(fā)生的條件與墻體結(jié)構(gòu)形式、相對位移、地基條件、填土種類、填土密實度等因素有關(guān)。上式表明，即使同類土質(zhì)，在各種不同極限平衡狀態(tài)下，其極限土壓力也會有較大的差別。又由于實際上土壓力并非始終處于極限狀態(tài)，因而在各種不同狀態(tài)下(含非極限狀態(tài))產(chǎn)生的土壓力將會有更大的差別，并隨土體的狀態(tài)變化而變

13、化。 實測土壓力與極限土壓力。實測土壓力與極限土壓力計算結(jié)果見表5。對于側(cè)向土壓力，表5給出三種極限平衡狀態(tài)下側(cè)向土壓力的計算值。水工建筑物設(shè)計荷載一般只采用主動土壓力( Pa )或靜止土壓力( Po )，發(fā)生被動土壓力( Pp )的可能性較小。從觀測結(jié)果可以看出，各測點側(cè)向土壓力測值都遠小于被動土壓力Pp 。一般認為，在接觸土壓力觀測中，因混凝土底板的隔離作用，位于剛性界面以下的土壓計測值偏低，是土壓力觀測中常見的異?，F(xiàn)象。但是比較直接采用回填土回填的箱涵和采用加筋土回填的進水閘邊墩的側(cè)向土壓力，可以看出埋深相差不多的E21與C32比較，箱涵斷面的側(cè)土壓力已經(jīng)超過主動土壓力值并略大于靜止土壓力，而進水閘邊墩側(cè)土壓力初期實測值還小于計算主動土壓力；進水閘邊墩17 m覆土的監(jiān)測點只相當(dāng)于箱涵13 m覆土的監(jiān)測點的水平側(cè)土壓力的不到40% 。加入了加筋土的回填土對降低側(cè)土壓力的作用非常明顯。6） 效果評價永定河倒虹吸進水閘采用加筋土擋墻結(jié)構(gòu)，先采用國外公司的計算程序初步算出筋材鋪設(shè)的長度和間距，再通過我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行墻體內(nèi)部和整體穩(wěn)定計算。提出加筋土擋墻設(shè)計方案和施工技術(shù)要求。實施時嚴格控制筋材質(zhì)量，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求