高邊坡多級柔性加筋土擋墻施工及穩(wěn)定性分析研究

王云和，朱愛山，徐友樟

（1.溫州市甌江引水發(fā)展有限公司，浙江 溫州 325000；2.浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310013）

高邊坡加筋土擋墻在全國應(yīng)用很多，但在環(huán)境、使用等因素的影響下，變形較普遍[1]。特別是多級加筋土擋墻潛在破裂面位置的不確定性給設(shè)計者和施工人員帶來很大的困擾[2-3]，對此，我國對加筋土擋墻的研究越來越重視。本文以建德更樓礦業(yè)生產(chǎn)廠區(qū)邊坡治理工程為依托，對巖質(zhì)陡立高邊坡多級柔性加筋土擋墻潛在破裂面位置及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并整理開發(fā)相關(guān)施工技術(shù)，以期為今后類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

本工程邊坡采用多級柔性加筋土擋墻支護(hù)，擋土墻高度8.0～25m 不等，坡率1∶（0.10～0.20），超過8m時設(shè)臺階，臺階寬度2.0m。擋墻內(nèi)填土夯實，與柔性加筋土擋墻、場平共同形成工業(yè)用地，然后在其上建石料破碎、骨料存儲及運輸車間、水洗及污水處理車間、管理辦公樓等。建筑物結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，建筑不設(shè)置地下室，采用淺基礎(chǔ)形式。

柔性加筋土擋墻采用高強(qiáng)度、高韌性高分子模量聚酯紗線，經(jīng)過編織、浸渡PVC 防護(hù)層等工藝生產(chǎn)而成，力學(xué)性能、化學(xué)耐久性及生物抗降解性能優(yōu)良。填料采用透水性好的砂性土、礫石類土或碎石頭回填，分層厚度0.2m，壓實度不小于0.94。

2 設(shè)計思路及原理

2.1 巖質(zhì)陡立高邊坡多級柔性加筋土擋墻施工結(jié)構(gòu)及受力機(jī)理

巖質(zhì)陡立高邊坡多級柔性加筋土擋墻施工結(jié)構(gòu)包括重力式擋土墻、錨桿錨拉系統(tǒng)、土工格柵加筋邊坡、生態(tài)袋面層等組成，并結(jié)合摩擦加筋、彈塑性層板、均質(zhì)等代材料等理論[4-5]，如圖1所示。重力式擋土墻采用擴(kuò)大基礎(chǔ)減小基底壓力，設(shè)置在坡角加強(qiáng)整個邊坡的穩(wěn)定性。土工格柵加筋邊坡充分利用壓實邊坡填料的自穩(wěn)性，并將部分土工格柵承受的拉力傳遞給水平錨桿，使新填邊坡和原地層連為一體，共同承擔(dān)邊坡下滑力。邊坡上設(shè)置格生態(tài)袋，后期植物根系的生長交錯成網(wǎng)。

圖1 巖質(zhì)陡立高邊坡多級柔性加筋土擋墻施工截面圖

2.2 土工格柵與錨桿連接結(jié)構(gòu)

土工格柵通過連接裝置與錨桿相連，連接裝置包括豎向槽形構(gòu)件、水平壓接板、壓接螺栓以及錨固體等，如圖2所示。首先將水平壓接板固定在垂直槽型構(gòu)件上，再將土工格柵穿過水平壓接板并通過螺栓緊固，這樣土工格柵所受拉力就將通過水平壓接板傳遞給垂直槽型構(gòu)件上，進(jìn)而有錨桿承擔(dān)。

圖2 土工格柵與水平錨桿連接裝置詳圖

2.3 多層土工材料緊固裝置

上下層緊固裝置由上下壓板、螺栓桿和螺帽組成，如圖3所示。將螺栓桿穿過所有土工材料，并且上下桿體在土層中留有一定長度，擰緊螺帽使所有土工材料緊固并錨固于土層中。

圖3 各層土工材料通過上下緊固裝置固定于邊坡中的結(jié)構(gòu)詳圖

3 采用有限元分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 多級柔性加筋土擋墻水平位移分析

加筋土擋墻不加筋時，用有限元ADINA只能計算到106步[7]，而加筋后，土體的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，本文不再做無筋分析。有限元ADINA分析條件，以25m高臺階為例。平臺寬約52m，擋土墻高25m（第一級高12m，第一級高8m，第三填級高5m），料采用透水性好的砂性土、礫石類土或碎石混合料回填，填料容重γ=19kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角30°。含碎石粉質(zhì)粘土地基承載力為318.18kPa。土工格柵，縱向極限拉伸強(qiáng)度不小于300kN/m，縱向5%應(yīng)變強(qiáng)度不小于158kN/m。經(jīng)計算水平位移結(jié)果如圖4所示。

圖4 多級柔性加筋體擋墻水平位移云圖

根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加筋擋土墻的最大水平位移為47.87cm，在第一級臺階中部偏上位置。故施工時紅線區(qū)域分層厚度由20cm，修正為15cm。錨桿拉結(jié)在鋪好后，挖出錨固裝置，進(jìn)一步擰緊錨固裝置螺栓，產(chǎn)生低預(yù)應(yīng)力，并適當(dāng)增加排水措施?；@色至黃色區(qū)域過渡平緩，沒有發(fā)生突然變大或變小情況。證明其它位置土體得到了很好的約束，墻體的水平位移量符合設(shè)計要求，變化滿足安全要求。

3.2 多級柔性加筋土擋墻豎向位移變形

豎向沉降變形與填料、壓實度、原地基承載力、降水等多因素有關(guān)，通過有限元計算其沉降變形如圖5所示。分析圖中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：加筋土擋墻豎向位移變形最大值為50.32cm，出現(xiàn)在第二級，部分下探到第三級上部。其沉降變形與水平變形相對應(yīng)，為結(jié)構(gòu)型沉降，本區(qū)域不是很大。其余區(qū)域擋墻豎向位移變形特征均為層級均勻分布，除地基外，沒有明顯的不均勻沉降現(xiàn)象。在擋墻的底腳部混凝土基礎(chǔ)處，因回填土自重原因，向下擠壓產(chǎn)生側(cè)向力，使豎向位移變形的值為正值，其最大變形為17.99cm。整體豎向沉降變形符合設(shè)計要求。

圖5 多級柔性加筋擋墻豎向位移云圖

3.3 多級柔性加筋土擋墻塑性區(qū)分布分析

加筋土擋墻的塑性區(qū)分布如圖6所示，分層回填區(qū)、底腳處為塑性變形區(qū)，剪應(yīng)變范圍極小，也并沒有形成貫通面，說明本加筋結(jié)合錨桿能夠阻擋墻塑性區(qū)進(jìn)一步的發(fā)展，從而提高擋土墻的安全穩(wěn)定性。

圖6 多級柔性加筋土擋墻的塑性區(qū)分布圖

4 施工主要操作要點

4.1 基底

本工程柔性加筋擋墻基底多處于1～2層含碎石粉質(zhì)粘土上，不能滿足部分高擋墻地基承載力要求，現(xiàn)根據(jù)不同墻高的地基承載力要求對柔性加筋擋墻基底進(jìn)行地基處理：0＜H≤6m，30cm碎石墊層；6m＜H≤10m，50cm 碎石墊層；10m＜H≤15m，100cm 碎石墊層；15m＜H≤22m，200cm 碎石墊層；22m＜H，100cmC25片石砼基礎(chǔ)+200cm 碎石墊層。柔性加筋擋土墻基槽開挖按設(shè)計方案開展，整平后，采用小型打夯機(jī)壓實。施工過程中做好基槽及周邊地面引排水，確保施工范圍內(nèi)無積水。嚴(yán)禁積水浸泡基槽。在施工柔性加筋土擋土墻前，檢查基底壓實度、高程、寬度、平整度及地基承載力檢測，若地基承載力達(dá)不到設(shè)計要求的承載力，則采用級配碎石加坦薩三向格柵進(jìn)行換填處理，并重做承載力檢測。

4.2 填料及碾壓

回填必須均勻攤鋪平整，并設(shè)不小于3%的橫坡，以利排水。距墻邊1m范圍內(nèi)，不得有大型機(jī)械作業(yè)和行駛，采用小型夯機(jī)分層夯實，分層厚度不得超過0.15m?；缀蛪χ恨D(zhuǎn)折處不應(yīng)有垂直通縫。擋墻每隔10m 設(shè)一伸縮縫，在地基性狀和擋土墻高度變化處應(yīng)設(shè)沉降縫，縫寬2cm，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋或其它有彈性的防護(hù)材料，填塞深度15cm。在擋土墻拐角處，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施；同時各段邊坡的外墻及連接處施工應(yīng)順直，不宜高度突增或突減。圬工在達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%以上時，方可回填墻后填料，填料應(yīng)優(yōu)先選用碎石或卵石填筑，回填前應(yīng)確定填料的最佳含水量和最大干密度，根據(jù)碾壓機(jī)具和填料性質(zhì)，分層填筑壓實，回填壓實后應(yīng)進(jìn)行壓實度檢測，壓實系數(shù)不得小于0.94。

4.3 擴(kuò)大基礎(chǔ)擋土墻

底腳擴(kuò)大基礎(chǔ)擋土墻由素混凝土澆筑而成，在澆筑擴(kuò)大基礎(chǔ)前，填筑一層砂石墊層。支設(shè)擋土墻模板，澆筑混凝土，墻頂設(shè)置聯(lián)鎖式生態(tài)磚的嵌固平臺。

4.4 排水

柔性加筋擋土墻泄水孔直徑75mm，外傾坡度5%，間距2m，按梅花形布置，反濾層用級配良好的卵石或碎石等滲透性好的材料，反濾層厚度0.20m。在設(shè)計地面的最低一排泄水孔的進(jìn)水口下部應(yīng)設(shè)置隔水層，泄水孔進(jìn)水口土工布包扎堵頭；最下一排泄水孔應(yīng)高于設(shè)計地面或排水溝以上0.5m。

4.5 水平錨桿

在階梯狀原地層的垂直面上鉆孔施工錨桿，鉆孔達(dá)預(yù)定深度后，植入錨桿桿體，并注射水泥漿。錨固體與地層間錨固長度不應(yīng)小于1.0m，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，巖石錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于3.0m，且不宜大于45D和6.5m，因此本次設(shè)計錨固段長度為3～9m。錨桿錨固長度的抗拔承載力為572.59kN。待錨桿水泥漿硬化達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，將錨桿錨頭錨固于垂直槽型構(gòu)件上。

4.6 鋪設(shè)土工格柵、反濾土工布及邊坡填筑

在離路堤邊坡一定距離處設(shè)置上下緊固裝置，緊固裝置的螺桿插入下層土體或路堤填料中一定深度，套入下壓板，最下層路堤依次鋪設(shè)土工格柵和反濾土工布，套入上壓板，擰緊螺栓緊固，上端螺桿插入上層填料中一定長度。邊坡填筑層的下端，在鋪設(shè)完土工格柵和反濾土工布后，采用透水性好的砂性土、礫石類土或碎石頭回填，采用振動壓路機(jī)和羊足碾分層多遍碾壓密實。土工格柵另一端通過連接裝置與錨桿連接，首先將水平壓接板固定在垂直槽型構(gòu)件上，再將土工格柵穿過水平壓接板并通過螺栓緊固，這樣土工格柵所受拉力就將通過水平壓接板傳遞給垂直槽型構(gòu)件上，進(jìn)而有錨桿承擔(dān)。土工格柵加緊間距為0.4m，筋材長度為12～22m。邊坡填筑結(jié)束后，檢測合格后再將反濾土工布和土工格柵反包。并將反包到填筑層上端的反濾土工布、土工格柵與上層的土工材料通過緊固裝置固定。

4.7 生態(tài)袋

生態(tài)袋目前只有廠規(guī)，沒有現(xiàn)行的國家規(guī)定，一般要求具有抗紫外、抗老化、無毒、不助燃、裂口不延伸的特點。根據(jù)劉鴻鵠[8]等研究，生態(tài)袋的構(gòu)成纖維要比土工袋纖維致密，有利于生態(tài)袋有較好的強(qiáng)度，且可以阻絕袋中的土顆粒透出；水分可以對生態(tài)袋袋體進(jìn)行浸潤，但無法對土工袋予以浸潤；所以要嚴(yán)密區(qū)分生態(tài)袋和土工袋，選用的袋體材料與水的浸潤性要良好，確保養(yǎng)分、水分交換。施工時袋口用打包機(jī)封好，按設(shè)計控制土袋位置，碼放整齊牢固。

5 沉降監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測報告分析，本項目一年累計沉降量117mm。沉降變化最大時正處于雨季，詳見圖7。故擋土墻做好后，建議暫不封頂，雨水自然沉降，或澆水，讓沉降趨于穩(wěn)定。全部完成后，要及時做好場平封頂和排水措施，減少長期累計沉降量。

圖7 邊坡沉降—時間折線圖

6 經(jīng)濟(jì)效益

邊坡防護(hù)通常采用重力式混凝土擋土墻+多級加筋反包進(jìn)行邊坡防護(hù)，消耗大量材料的同時也顯著增加地基處理的造價。本技術(shù)采取錨桿與土工格柵拉結(jié)，使原巖與后填處緊密結(jié)合，降低了不均勻沉降危害，與整個邊坡全部采用傳統(tǒng)重力式擋土墻相比，節(jié)省造價約70%；與多級土工格柵加筋方法比，增加錨桿與地層拉結(jié)，增加造價約10%。采用本技術(shù)綜合節(jié)省工程造價50%左右，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

（1）高邊坡多級柔性加筋土擋墻造價低，但累計沉降量大，如形成場平，再造建筑物時應(yīng)做基礎(chǔ)處理。

（2）建德更樓礦業(yè)生產(chǎn)廠區(qū)邊坡加筋土擋墻進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與一年內(nèi)實測累計值接近，預(yù)計長期沉降量將會較大。

（3）擋土墻受雨水影響大，需盡早封閉，并做好防排水措施。