復(fù)合型擋土墻的應(yīng)用研究

毛丹君，蔡金博，祖建全

（東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021）

東北及內(nèi)蒙古地區(qū)能源豐富，擁有大量電力能源可對(duì)外輸送，但由于該地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)、氣候寒冷、可施工時(shí)間短，致使在該地區(qū)建設(shè)變電站的工期十分緊張。為保證工程進(jìn)度，必須采取合理的結(jié)構(gòu)形式及施工組織，充分利用可施工時(shí)間縮短變電站建設(shè)周期。為解決東北及內(nèi)蒙古地區(qū)工程施工工期緊張的情況，積極探索新型結(jié)構(gòu)形式，提出復(fù)合型擋土墻新型結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)形式的擋土墻相比，復(fù)合型擋土墻具有降低造價(jià)、施工方便、受力合理、可分部施工滿足冬季施工等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)加筋擋土墻及重力擋土墻的計(jì)算理論及相關(guān)的國(guó)家規(guī)范，結(jié)合海北500kV 變電站工程，對(duì)復(fù)合型擋土墻的設(shè)計(jì)理論及施工措施進(jìn)行介紹。

1 海北500kV 變電站工程情況

1.1 地理位置

海北500kV 變電站站址位于呼倫貝爾市的北部約11.0km，201省道東側(cè)的草原上。站址區(qū)在地貌上屬丘陵高平原，地勢(shì)開闊，地形較平坦，總體上呈現(xiàn)東北高西北低的趨勢(shì)，地面高程為685.97～695.72m。

1.2 自然條件

站址區(qū)地貌單元為丘陵，地勢(shì)開闊，地形稍有起伏；地基主要由上部的粘性土、粉細(xì)砂層及下伏的粘性土組成。站址水文氣象條件見表1。

表1 站址水文氣象條件 ℃

1.3 施工進(jìn)度要求

海北500kV 變電站為蒙東公司建設(shè)的首座500kV 智能化變電站，建設(shè)單位對(duì)工程質(zhì)量要求高、工程進(jìn)度要求緊。本工程2010年10月15日開始啟動(dòng)，為了保證施工進(jìn)度，要求施工單位在11月底之前完成場(chǎng)平及所有構(gòu)架基礎(chǔ)，以保證在凍土未化開前進(jìn)行構(gòu)架組裝，在2011年4月凍土化開后進(jìn)行其他土建施工。

2 復(fù)合型擋土墻設(shè)計(jì)理論

2.1 復(fù)合型擋土墻介紹

擋土墻是變電站中常見的一種構(gòu)筑物，主要用于防止填土或土體變形失穩(wěn)。對(duì)整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)安全與施工進(jìn)度有重大的影響，只有在擋土墻安全可靠的前提下，才可以進(jìn)行地上建筑的施工。

復(fù)合型擋土墻是利用土工格柵與土體結(jié)合加強(qiáng)土體的整體穩(wěn)定性，形成冬季的臨時(shí)穩(wěn)定填土邊坡；春季沿坡面漿砌毛石護(hù)面，形成復(fù)合型邊坡結(jié)構(gòu)，保證邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性。復(fù)合型擋土墻的組成包括：墻面、筋材及墻內(nèi)填充土。復(fù)合型擋土墻結(jié)構(gòu)見圖1。復(fù)合型擋土墻適用于寒冷地區(qū)的填方區(qū)邊坡設(shè)計(jì)，尤其是內(nèi)蒙古地區(qū)，植被稀少，混凝土、砂漿可施工期很短。為滿足工程進(jìn)度要求，在冬季施工場(chǎng)平期間，利用土工格柵的拉力，保持填方邊坡的臨時(shí)穩(wěn)定性，春季及時(shí)補(bǔ)砌毛石擋土墻，可以充分利用冬季施工縮短建設(shè)工期。在寒冷地區(qū)粉砂填土的冬季壓實(shí)施工難度極高，采用土工格柵具有極好的輔助固土效果，還能降低擋土墻的毛石量，節(jié)約資源。漿砌毛石墻面具有良好的滲透慮水效果，是理想的廉價(jià)護(hù)坡材料。

圖1 復(fù)合型擋土墻結(jié)構(gòu)

2.2 復(fù)合型擋土墻計(jì)算方法

復(fù)合型擋土墻設(shè)計(jì)與其結(jié)構(gòu)形式、施工順序緊密結(jié)合，一般應(yīng)分為2步設(shè)計(jì)：

第1步設(shè)計(jì)為筋材鋪設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：計(jì)算加筋土坡穩(wěn)定，此時(shí)加筋土體單獨(dú)抵抗土壓力與施工荷載，這種形式為過渡形式，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮水浸、地震等不利因素，此種形式意在維持填方區(qū)土體短期穩(wěn)定，爭(zhēng)取施工工期，此時(shí)，按照GB 50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》第7.0.3條對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不應(yīng)小于0.9的規(guī)定，可將結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為0.9計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性［1］。

第2步設(shè)計(jì)在條件允許情況下，馬上砌筑毛石墻面。墻面砌筑完成后，毛石墻面與加筋土體共同抵抗荷載，此時(shí)的復(fù)合型擋土墻抗滑移、抗傾覆能力得到提升，可以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的抵抗各種不利荷載組合。

2.3 復(fù)合型擋土墻計(jì)算公式

復(fù)合型擋土墻計(jì)算主要分為擋土墻內(nèi)部與外部計(jì)算，內(nèi)部計(jì)算包括復(fù)合擋土墻筋材強(qiáng)度計(jì)算、筋材抗拔計(jì)算；外部計(jì)算按照重力式擋土墻的計(jì)算方法計(jì)算地基承載力、墻體水平抗滑移及墻體抗傾覆［2］。

2.3.1 復(fù)合擋土墻內(nèi)部計(jì)算

a.筋材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。復(fù)合型擋土墻的筋材強(qiáng)度以生產(chǎn)廠家提供的筋材極限抗拉強(qiáng)度、延伸率為基礎(chǔ)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值綜合考慮筋材的蠕變、環(huán)境影響、施工鋪設(shè)的損傷及筋材搭接等因素。復(fù)合型擋土墻加筋材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度按式（1）確定［2－3］：

式中：T為擋土墻上的總水平合力或加筋筋材的抗拔力設(shè)計(jì)值；Tu為加筋擋土墻筋材的抗拔力極限值；FID為復(fù)合擋土墻的筋材鋪設(shè)破壞影響系數(shù)；FCR為復(fù)合擋土墻的筋材蠕變影響系數(shù)；FCD為生物－環(huán)境影響系數(shù)；FBD為連接影響系數(shù)；設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)以工程經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方式確定，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)其系數(shù)乘積宜采用2.5～5.0。

b.筋材強(qiáng)度驗(yàn)算。每層筋材均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，第i層單位墻長(zhǎng)筋材承受的水平拉力Ti可按式（2）計(jì)算：

式中：σvi為復(fù)合型擋土墻筋材垂直應(yīng)力；σhi為復(fù)合型擋土墻筋材水平應(yīng)力；∑Δσvi為超載引起的垂直附加應(yīng)力；Ki為土壓力系數(shù)；Svi為復(fù)合型擋土墻筋材豎直間距；Ar為筋材面積覆蓋率，Ar＝1／Svi；對(duì)于筋材滿布的情況取1。

c.筋材抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算。筋材抗拔力Tpi應(yīng)根據(jù)填土破裂面以外筋材有效長(zhǎng)度與周圍土體產(chǎn)生的摩擦力按式（3）計(jì)算：

式中：Lei為復(fù)合型擋土墻筋材有效長(zhǎng)度，即破裂面以外的長(zhǎng)度；對(duì)于土工格柵作為筋材的擋土墻，f 可由試驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)無測(cè)試結(jié)果時(shí)也可按f＝（0.8～0.9）tanφ取值；B為單位長(zhǎng)度的加筋材有效寬度，B可按表1取值。

表1 筋材有效寬度

筋材抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應(yīng)符合式（4）要求：

安全系數(shù)不應(yīng)小于1.3，一般取為1.5。當(dāng)不能滿足時(shí)，應(yīng)加長(zhǎng)筋材進(jìn)行驗(yàn)算。

確定筋材長(zhǎng)度時(shí)，第i 層筋材長(zhǎng)度Li應(yīng)按式（5）計(jì)算：

式中：Li為復(fù)合型擋土墻筋材總長(zhǎng)度；Loi為復(fù)合型擋土墻筋材破裂面以內(nèi)的長(zhǎng)度；Lwi為包裹土體筋材、連接墻面或筋材間連接所需筋材長(zhǎng)度。為施工方便，自上而下筋材宜取同等長(zhǎng)度，也可分段采用不同長(zhǎng)度。

2.3.2 復(fù)合擋土墻外部計(jì)算

復(fù)合型擋土墻外部穩(wěn)定性計(jì)算采用重力式擋土墻的穩(wěn)定方法計(jì)算地基承載力、墻體水平抗滑移及墻體抗傾覆計(jì)算。具體計(jì)算公式參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.6土質(zhì)邊坡與重力式擋墻相關(guān)公式計(jì)算。復(fù)合型擋土墻外部穩(wěn)定計(jì)算分為2步：第1步計(jì)算加筋土體單獨(dú)抵抗土壓力，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮水浸、地震等不利因素，可將結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為0.9計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；第2步設(shè)計(jì)墻面砌筑完成后，毛石墻面與加筋土體共同抵抗荷載，此時(shí)的復(fù)合型擋土墻抗滑移、抗傾覆能力得到提升，可以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定地抵抗各種不利荷載組合，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.0計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性［4－5］。

3 復(fù)合型擋土墻施工措施

復(fù)合型擋土墻的施工主要包括：基層處理、筋材鋪設(shè)、層間填土、碾壓、毛石砌筑及整修等。復(fù)合擋土墻的施工應(yīng)符合以下原則：體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，確保工程質(zhì)量；有序組織作業(yè)，保證施工安全。

3.1 筋材鋪設(shè)

筋材沿?fù)跬翂﹂L(zhǎng)度方向搭接長(zhǎng)度不小于15 cm，垂直墻面方向，筋材搭接長(zhǎng)度不小于20cm；筋材強(qiáng)度高的方向應(yīng)垂直墻面，筋材應(yīng)鋪放平整并拉緊、插筋固定；應(yīng)避免筋材與角礫填料直接接觸；在拐角、曲線處為保證筋材整體、連續(xù)性和摩擦力的發(fā)揮，應(yīng)用同品種小片筋材全部覆蓋；筋材頭部與擋墻連接端及尾部與土壤連接端都必須平順反向包裹，并用連接棒連接牢固。

3.2 填土

填土應(yīng)級(jí)配良好，每層填土碾壓厚度宜為25～30mm，卸土及碾壓應(yīng)緩慢均勻進(jìn)行，不得速度過快。使用機(jī)械運(yùn)土?xí)r，筋材上必須有15cm 厚的鋪土，運(yùn)土車輛宜前進(jìn)和后退，盡量不要轉(zhuǎn)彎行駛，以免損壞筋材；攤鋪設(shè)備應(yīng)為前置式，不得直接在筋材上行走。

3.3 碾壓

應(yīng)選用中、輕型碾壓機(jī)械實(shí)施壓實(shí)作業(yè)，應(yīng)根據(jù)填料類別、工程規(guī)模、場(chǎng)地條件選用碾壓機(jī)械。壓實(shí)作業(yè)必須保證碾壓質(zhì)量，壓實(shí)過程中應(yīng)按要求取樣進(jìn)行壓實(shí)度試驗(yàn)，壓實(shí)度值應(yīng)達(dá)到相應(yīng)工程的設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 毛石墻面砌筑

墻面采用MU30 毛石、M10 水泥砂漿砌筑，1∶3水泥砂漿勾凹縫外表要平整，分層砌筑，砂漿應(yīng)飽滿，不準(zhǔn)有垂直通縫，墻外露表面宜用規(guī)整毛石砌筑；毛石不準(zhǔn)采用三角形片石，毛石厚度不小于150 mm；墻面最底層排水管應(yīng)至少高出墻外地表200 mm，排水管外露管口設(shè)置閉網(wǎng)，墻頂標(biāo)高至少高出自然地面或者場(chǎng)平地面100mm。

3.5 土工格柵設(shè)置原則

a.通常情況下，土工格柵從下至上應(yīng)保持相同的設(shè)置長(zhǎng)度；

b.土工格柵強(qiáng)度選用可自下而上遞減，即越往下所選用的土工格柵強(qiáng)度愈大；

c.土工格柵布置，豎向間距應(yīng)相等，一般為0.5～1.5m。

4 結(jié)束語

根據(jù)研究及計(jì)算結(jié)果，在海北500kV 變電站施工圖設(shè)計(jì)中對(duì)填方區(qū)擋土墻設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了反復(fù)的論證和優(yōu)化，為滿足冬季場(chǎng)平施工的要求，首次提出復(fù)合型擋土墻即冬季施工場(chǎng)平采用土工格柵增強(qiáng)填方區(qū)土體穩(wěn)定性作為臨時(shí)護(hù)坡，春季補(bǔ)砌毛石，由毛石與加筋土體形成復(fù)合擋土墻。

［1］GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB 50290—98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］歐明六.土工格柵的分類與特性［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003，（10）：155～156.

［4］薛殿基，馮仲林.擋土墻設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)人民建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.