加筋土擋墻穩(wěn)定性控制的重要措施

楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 概述

加筋土擋墻是一種相對(duì)新型的擋土結(jié)構(gòu)，主要由筋材、土體、墻面板、基礎(chǔ)等組成(見(jiàn)圖1)。與重力式擋墻相比，這種擋墻具有結(jié)構(gòu)輕、節(jié)約材料、工程造價(jià)低、抗震性能好及適應(yīng)較低的地基承載力等多種優(yōu)點(diǎn)，因而在鐵路、公路建設(shè)中得到了廣泛使用[1]。雖然加筋土擋墻在我國(guó)諸多工程中已有應(yīng)用，如果設(shè)計(jì)、施工不合理，容易造成擋墻水平或豎向變形過(guò)大，甚至出現(xiàn)破壞的狀況。因此，本文從筋材選擇與設(shè)計(jì)、填料選擇與壓實(shí)、墻面板設(shè)計(jì)三個(gè)方面論述確保擋墻穩(wěn)定性的重要措施，旨在為廣大工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定、造價(jià)合理的加筋土擋墻提供參考。

2 穩(wěn)定性控制內(nèi)容

加筋土擋墻的穩(wěn)定性包括內(nèi)部穩(wěn)定性和外部穩(wěn)定性，穩(wěn)定性控制就是控制其不會(huì)發(fā)生任何一種形式的破壞。其中內(nèi)部穩(wěn)定性破壞形式包括筋材抗拉破壞、抗拔破壞等；外部穩(wěn)定性破壞包括擋墻抗滑移破壞、擋墻抗傾覆破壞、地基承載力不足和軟土地基的整體圓弧滑動(dòng)等。其中筋材的抗拉破壞關(guān)鍵取決于筋材的抗拉強(qiáng)度與土壓力大小，擋墻填土深度越大，土壓力也就越大。筋材強(qiáng)度與筋材類型、制作方法等有關(guān)。筋材的抗拔力取決于筋材與土體之間的摩擦系數(shù)、豎向應(yīng)力、筋材長(zhǎng)度等。加筋土擋墻的外部破壞形式與重力式擋墻相同，將整個(gè)加筋土看做整體，驗(yàn)算其穩(wěn)定性(外部穩(wěn)定性驗(yàn)算分析如圖2所示)。通常情況下，若筋材的內(nèi)部穩(wěn)定性滿足要求，擋墻發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)和傾覆失穩(wěn)的可能性較小。

3 穩(wěn)定性控制措施

3.1 筋材選擇與設(shè)計(jì)

加筋土擋墻主要依靠筋材與填土之間的摩阻力，并承受結(jié)構(gòu)內(nèi)部的拉力，填土約束筋材避免其拔出，筋材前端連接墻面板，來(lái)實(shí)現(xiàn)與墻面板上所受的土壓力相平衡，進(jìn)而達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定，因此，筋材的選擇與設(shè)計(jì)對(duì)加筋土擋墻的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3.1.1筋材選擇

加筋土擋墻的筋材須具有以下幾個(gè)特征：

1)具有較強(qiáng)的抗拉能力和較小的延伸率，以確保筋材在受到較大拉力時(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂或變形過(guò)大；2)具有較高的界面摩擦力，確保筋材不會(huì)發(fā)生拔出破壞；3)具有良好的耐腐蝕性，通常情況下聚合物材料的筋材耐腐性較好。多種材料可用作加筋土擋墻的筋材，包括鋼帶、鋼筋混凝土帶、聚丙烯土工帶、鋼塑復(fù)合帶、土工格柵、土工布等，這些材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。

鋼帶和鋼筋混凝土帶均具有較強(qiáng)的抗拉能力和低延伸率特性，一般的鋼帶表面比較光滑，與填土之間的摩阻力較小，為了增大摩阻力，可在鋼帶表面每隔一定距離設(shè)置凸起，能夠明顯增大其抗拔能力，從而加強(qiáng)擋土墻的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土帶是沿鋼筋長(zhǎng)度方向上，每隔一定距離設(shè)置一梯形或矩形的混凝土板，增大與填土之間的摩阻力，進(jìn)而增加了擋土墻的穩(wěn)定性。鋼帶和鋼筋混凝土帶都面臨著銹蝕問(wèn)題，可在表面涂抹防銹劑以增大其抗銹蝕能力。

聚丙烯土工帶是一種良好的筋材，該材料來(lái)源豐富，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本較低，最近20余年內(nèi)，在我國(guó)加筋土擋墻中使用廣泛。據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道在已建成的加筋土工程中80%以上均采用土工帶,在我國(guó)公路加筋土工程中95%以上的工程均使用土工帶。為了提高聚丙烯土工帶的抗拉能力和控制其延伸率，在聚丙烯土工帶內(nèi)部加入鋼絲形成鋼塑復(fù)合帶，提高了土工帶性能，增加了擋墻的穩(wěn)定性。

另外，聚丙烯土工帶具有良好的耐腐蝕性，土體中的溫濕度、含氧量、微生物和化學(xué)物質(zhì)等對(duì)聚丙烯土工帶一般影響較小，但聚丙烯土工帶的抗老化能力，特別是紫外線對(duì)其的影響較大，因此在使用過(guò)程中應(yīng)特別注意，可以從原材料和添加劑兩個(gè)方面減緩其老化，實(shí)現(xiàn)其增強(qiáng)擋墻的穩(wěn)定性。

土工格柵是一種非常理想的筋材，其網(wǎng)孔與粗顆粒土能夠相互咬合，除了與土體之間的摩阻力外，還有較好的咬合力，因此與土體之間的摩擦性能良好，對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性較好。土工布作為加筋材料埋置于土體中，增加土體的抗拉和抗變形能力，很好的提高擋土墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1.2筋材設(shè)置

筋材的設(shè)置包括筋材的間距和長(zhǎng)度，如果使用土工帶，其間距包括水平間距和豎向間距，兩者可做成相同的，水平間距和豎向間距一般為0.3 m～0.6 m之間，具體控制在筋材不會(huì)發(fā)生抗拉和抗拔破壞，每根筋材上受到的拉力為：

Ti=Kiσvisxsy

(1)

其中，Ki為第i根筋材處的土壓力系數(shù)；σvi為第i根筋材處的豎向應(yīng)力,kPa；sx,sy分別為水平向和豎直向筋材的布置間距,m;若擋墻為反包式(全鋪式，筋材選用土工格柵或土工布)，sx=1.0。對(duì)于水平間距和豎向間距，一般宜控制在0.2 m～1.0 m之間，若間距過(guò)小，容易給填土碾壓帶來(lái)不便，間距過(guò)大，單根筋材上受到的拉力較大，也使得墻面板高度較大，搬運(yùn)與砌筑不便。

墻后填土產(chǎn)生的水平土壓力可根據(jù)郎肯土壓力計(jì)算；我國(guó)TB 10025—2019鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中建議采用式(2)，式(3)計(jì)算：

當(dāng)hi<6 m：Ki=K0(1-hi/6)+Kahi/6

(2)

當(dāng)hi≥6m：Ki=Ka

(3)

其中，K0為靜止土壓力系數(shù)；Ka為朗肯土壓力系數(shù)。

筋材的長(zhǎng)度控制關(guān)鍵是確保其不會(huì)發(fā)生拔出破壞，每根筋材的抗拔承載力可用式(4)計(jì)算：

T=σviLbf

(4)

其中，L為土工帶的有效長(zhǎng)度(錨固長(zhǎng)度)；b為土工帶的寬度；f為土工帶與填料之間的摩擦系數(shù)。

綜上，筋材的設(shè)置滿足抗拔極限承載力要求，使筋材不會(huì)發(fā)生抗拉和抗拔破壞，從而提高了擋墻的穩(wěn)定性。

3.1.3提高筋材抗拔承載力的措施

筋材抗拔能力決定著其內(nèi)部穩(wěn)定性，有的筋材如土工帶與土體間的摩擦性能不太理想，這時(shí)可以通過(guò)某些措施增加土工帶的抗拔承載力，如將土工帶末端統(tǒng)一固定在一縱向桿件上，能夠增加筋材的整體穩(wěn)定性；用U形釘將桿件固定在填土里，也會(huì)增加筋材的抗拔能力；此外提高填土壓實(shí)度，增加填土粒徑，采用土工格柵等均會(huì)增加筋材的抗拔承載力。

3.2 填料選擇與壓實(shí)

填料是加筋土擋墻的主體材料，填料的選擇基于以下幾個(gè)原則：

1)良好的透水性、易壓實(shí)；2)與筋材之間具有良好的摩擦性能；3)滿足一定的化學(xué)和電化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[3]；4)易溶鹽、硫化物和有機(jī)質(zhì)不應(yīng)超過(guò)限定值。較為理想的填料宜選擇粗顆粒土，包括碎石、礫石、砂土等，這些填料透水性強(qiáng)，毛細(xì)上升高度小，具有較大的內(nèi)摩擦系數(shù)，強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均好。砂土粘結(jié)性較小，易于松散，壓實(shí)困難，但充分壓實(shí)的砂土，壓縮性小，穩(wěn)定性好，可以采用振動(dòng)法壓實(shí)。粉性土含有較多的粉土顆粒，毛細(xì)作用強(qiáng)烈，毛細(xì)上升高度大，在季節(jié)性凍土地區(qū)容易造成凍脹災(zāi)害，單獨(dú)作為填料不佳，可以摻加適量砂土、礫石混合使用。粘性土細(xì)顆粒含量多，土的內(nèi)摩擦角較小，與筋材之間的摩擦性能較差，透水性小而吸水能力強(qiáng)，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，有較大的可塑性，一般情況下不宜采用粘性土作為填料，如果受土體來(lái)源限制，在粘土內(nèi)可摻入一些粗顆粒土體。此外，帶有棱角的碎石也不宜作為填料。填料需滿足一定的壓實(shí)度，密實(shí)的填料能夠增大與筋材之間的摩擦性能，提高擋墻的穩(wěn)定性。

3.3 墻面板設(shè)計(jì)

墻面板的主要控制作用是防止端部土體從拉筋間擠出。加筋土擋墻墻面板通常由鋼筋混凝土制成，其強(qiáng)度可按均布荷載(水平土壓力)作用下的簡(jiǎn)支梁計(jì)算，根據(jù)此法計(jì)算僅混凝土強(qiáng)度即可滿足要求。但為了防止墻面板發(fā)生裂縫，要求墻面板必須滿足最小的配筋率ρmin=0.2%[4]。墻面板可根據(jù)實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)成多種形狀，如十字形、矩形、六角形、半圓形等，隨著人們對(duì)環(huán)境和藝術(shù)要求的提高，一些新型美觀的墻面板也有望在將來(lái)出現(xiàn)。因此，優(yōu)化墻面板的設(shè)計(jì)可以提高擋墻的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

加筋土擋墻的穩(wěn)定是設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵，通過(guò)筋材選擇與設(shè)計(jì)、填料選擇與壓實(shí)、墻面板設(shè)計(jì)等穩(wěn)定性控制，既保證了加筋土擋墻的外部穩(wěn)定，又使整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了理論參考。