橋頭路基加筋擋土墻優(yōu)化設計

摘要：以肯尼亞某公路路基采用加筋擋土墻為背景，首先詳細介紹加筋擋土墻的施工工藝及施工流程。利用有限元軟件建立加筋擋土墻模型，系統(tǒng)探討加筋擋土墻加筋長度、加筋層數(shù)、加筋體彈性模量對擋土墻側向變形的影響，獲得了本工程合理的擋土墻設計參數(shù)。研究結果表明：面板制作與安裝、筋帶安裝、填料施工這3個施工過程需著重關注；在一定范圍內，增大加筋擋土墻加筋長度、加筋層數(shù)、加筋體彈性模量，均能有效抑制擋土墻側向變形；本工程合理的加筋長度為3～4m、加筋層數(shù)為10層，彈性模量為2.5GPa。

關鍵詞：公路橋頭路基；加筋擋土墻；有限元分析；側向變形

0 引言

土工格柵是一種主要的土工合成材料，與其他土工合成材料相比，它具有獨特的性能與功效，常用作加筋土結構或復合材料的筋材等[1]。土工格柵加筋擋土墻是一個整體復合型的擋土結構，共分為3個部分：第一部分為填土，第二部分為土工格柵，第三部分為豎直的墻面板[2]。

針對土工格柵在不同工程中的應用，國內眾多學者通過有限元分析法、理論解析法、試驗法等手段對此開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。肖念婷等[3]基于某土工格柵加筋擋土墻工程，利用數(shù)值軟件建立擋土墻模型，分析土工格柵加固機理，對比不同工況下?lián)跬翂Φ氖芰ψ冃?。趙世濤等[4]以某采用塑料土工格柵的擋土墻為研究對象，通過離心試驗，研究邊坡沉降與土體位移規(guī)律，進一步分析了塑料土工格柵的拉伸特性。徐振鴻[5]通過室內土工格柵拉伸試，研究不同影響因素對筋土界面作用的影響，并通過有限元軟件，分析靜荷載邊界條件下拉拔過程中填土配位數(shù)和孔隙率的變化規(guī)律。

本文以肯尼亞某公路路基采用加筋擋土墻為背景，介紹了加筋擋土墻的施工工藝，從而獲得本工程合理的擋土墻設計參數(shù)。

1 工程概況

肯尼亞蒙巴薩南部旁城路項目第一期連接在建蒙巴薩港口與A109公路，既有鐵路線改移1091m，鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路改移404m。本項目建成后，去往內羅畢方向的重型車輛不再通過市區(qū)，將大大緩解市區(qū)交通壓力。

本工程中AGOL區(qū)域有天然氣管線，且距離線路中心較近，為不對管線造成影響，故收縮坡腳節(jié)約用地，該段路基設計采用加筋擋土墻的形式進行填筑施工，加筋擋土墻模塊分層砌筑，樁號為K5+480～K5+520、K5+640～K5+740，加筋擋土墻全長140m。

2 施工工藝流程

加筋擋土墻施工工藝流程圖如圖1所示。

3 加筋擋土墻施工關鍵技術

3.1 施工準備

3.1.1 測量放樣

在施工前，按照規(guī)范要求已經(jīng)做好此標段的控制測量，并根據(jù)控制測量成果對擋土墻控制點進行準確測量放樣。

3.1.2 材料準備

采用高密度聚乙烯單向格柵，為整體沖孔拉伸性格柵。面板采用C30混凝土澆筑而成。為滿足擋土墻穩(wěn)定性、地震沖擊、擋土墻變形等要求，面板應具有高強度、剛度大、柔性足等特性，墻面坡度1：0.05。

筋帶全部采用鍍鋅帶肋鋼帶，按設計長度要求進場。為發(fā)揮填料與筋帶間摩擦力，保持擋土墻的整體穩(wěn)定性，填料應選擇級配好的砂石類土。且填料應具有好的透水性，防止加筋體被腐蝕。填料最大粒徑不得大于15cm，粒徑大于2mm的不超過50%。

3.2 加筋擋土墻施工

3.2.1 基礎處理

AGOL施工區(qū)域三面環(huán)山，一面靠海，屬沿海灘涂區(qū)域，地勢較低，橋下結構復雜，泥沙堆積，有泥塘、沼澤。漲潮時被淹沒，落潮時露出。

因地質情況不好，承載力極低，根據(jù)實際情況，對該區(qū)域進行挖淤換填處理，深度應大于3m。換填片石頂標高應大于海水漲潮后標高1m，以確保漲潮時不被海水淹沒。完成上述施工后，檢測地基承載力確保滿足本工程對承載力的要求。隨后施工加筋擋土墻基礎。

3.2.2 面板制作與安裝

面板的模板采用定型鋼模板，模板的尺寸設計根據(jù)圖紙及規(guī)范要求，尤其注意模塊應設置凹凸榫，并保證凹凸榫的準確性。在小型預制件廠預制模塊時，應倒置面板，使外露面朝下。在面板水平時固定連接帶并放置鋼筋。

隨后邊澆筑邊振搗混凝土，且工人應及時抹平混凝土?；炷翉姸葷M足要求時，進行拆模施工。拆模后面板集中存放，面板間用方木擱置，并水平擺放。面板間的距離不應小于連接帶裸露在外的尺寸，面板堆放數(shù)量不能大于6塊，以保證面板不變形不被剮蹭?，F(xiàn)場需要時集中運送到現(xiàn)場。

施工面板錢，設計擋土墻尺寸及面板擺放位置。用起重機吊裝面板放置在指定位置，保證面板清潔。用1cm厚砂漿砌筑首塊面板并調平，面板間水平誤差、垂直誤差、安裝縫、傾斜度均需滿足要求。不得在未完成填土作業(yè)的面板上安裝上一層面板。面板之間采用硬質塑料固定。

3.2.3 筋帶安裝

通過鍍鋅螺栓將面板裸露部分連接到筋帶上，將填料壓實并整平，隨后放置面板于其上，不能彎曲和疊放，棱角不能互碰，以防止剮蹭。用少量填料從拉環(huán)處向筋帶尾部覆蓋，使之固定。

3.2.4 填料施工

在取土場挖裝選好的填土并將其運送到現(xiàn)場指定地方，與面板保持安全距離（1.5m），將填土卸載下。未鋪放填料時，筋帶上不能行駛機械，以防止下層筋帶擾動。

要保證填料壓實厚度大于填料粒徑的2倍，填料粒徑均不能超過100mm，填料不能摻雜其他雜質。距面板1.5m范圍內，用人工攤鋪。距面板0.3m范圍內，全部用碎石填筑，用土工布包裹。分層壓實填料，加筋擋土墻范圍內每兩層實施填土，同時鋪一層土工格柵。

3.2.5 墻面封頂

頂層墻面模塊安裝后，所形成縱向高低不平，用砂漿找平，嚴格控制設計標高。找平砂漿養(yǎng)生達到一定強度后，即可現(xiàn)澆帽石。

4 基于有限元加筋擋土墻參數(shù)優(yōu)化

4.1 數(shù)值模型

根據(jù)工程概況，建立加筋擋土墻數(shù)值模型，如圖2所示。模型整體尺寸為寬×高=15m×10m。模型共劃分3534個單元，5489個節(jié)點。

模型邊界條件如下：模型兩側為水平向位移約束；模型底部為水平和豎直方向位移約束；模型表面為自由邊界?？紤]到模型中土體單元為塑性材料，采用四節(jié)點矩形單元；土工格柵采用彈性材料模擬；面板單位用軟件內置梁單元模擬。材料參數(shù)如表1所示。接觸面模型參數(shù)如表2所示。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 加筋長度

為分析加筋擋土墻加筋長度的影響，建立7種不同工況：2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。擋土墻最大水平位移隨加筋長度變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著擋土墻加筋長度增大，擋土墻最大水平位移首先迅速減小，隨后緩慢減小直至趨于穩(wěn)定。當加筋長度在2～4m范圍內，加筋長度變化對擋土墻水平變形影響顯著。但當加筋長度超過4m后，這種影響越來越小。

分析認為，由于加筋長度增大會增強錨固摩擦力，加筋體與填土的相對位移變小。但當加筋長度超過一定值，筋材提供的抗拉強度已飽和，故錨固摩擦力增大有限。同已有研究結果[6]一致，加筋長度不超過擋土墻高度的0.7倍（文本為0.67倍），加筋長度對擋土墻變形有較大的影響。加筋長度超過擋土墻高度的0.7倍后，擋土墻變形變化有限。因此，實際施工合理的加筋長度在0.5～0.7倍擋土墻高度最為安全、經(jīng)濟。

4.2.2 加筋層數(shù)

為分析加筋層數(shù)的影響，建立3種不同加筋層數(shù)工況：_{KAXRyXsdr4stm41SJd1OmQ==}加筋5層、加筋10層、加筋15層，圖4給出了不同加筋層數(shù)下，擋土墻水平位移沿擋土墻高度的變化曲線2WndJgcjmfEIezgjjVJSaw==。

從圖4可以看出，擋土墻水平沿墻高方向呈“鼓”狀（先迅速增大，后迅速減小），在擋土墻中間位置擋土墻水平位移達到峰值，且加筋層數(shù)對擋土墻水平位移變化趨勢無影響。加筋層數(shù)為5層時，最大水平位移約為58mm；當加筋層數(shù)增大到10層時，最大水平位移約為35mm，較加筋5層工況減小了約39%；當加筋層數(shù)增大到15層時，最大水平位移約為30mm，較加筋5層工況減小了約14%。

由此可見，加筋層數(shù)的增加能有效一致?lián)跬翂认蜃冃?，但是加筋層?shù)越大，對擋土墻側向變形的抑制效果逐漸削弱。這是加筋間距過小時，加筋體間相互影響，不能充分發(fā)揮加筋體的抗拉強度。據(jù)此確定本工程合理的加筋層數(shù)為10層。

4.2.3 加筋體彈性模量

為分析加筋體彈性模量的影響，建立7種不同彈性模量工況。圖5給出了擋土墻最大水平位移隨加筋體彈性模量的變化曲線。

從圖5可以看出，擋土墻最大水平位移隨加筋體彈性模量首先迅速減小，隨后緩慢減小直至趨于穩(wěn)定。當彈性模量小于2.5GPa時，增大加筋體彈性模量能有效抑制擋土墻水平變形。但當彈性模量大于2.5GPa后，繼續(xù)增大加筋體彈性模量會造成材料浪費。據(jù)此確定本工程合理的加筋體彈性模量為2.5GPa。

5 結束語

本文基于肯尼亞某公路工程，詳述了加筋擋土墻施工工藝和流程，通過數(shù)值手段對加筋擋土墻相關參數(shù)開展敏感性分析。獲得以下主要結論：

加筋擋土墻施工中，著重關注面板制作與安裝、筋帶安裝、填料施工這3個施工過程。加筋擋土墻加筋長度、加筋層數(shù)、加筋體彈性模量均對擋土墻水平位移有顯著影響，但都在一定范圍內存在顯著影響。最終確定本工程合理的加筋長度為3～4m，合理的加筋層數(shù)為10層，合理的加筋體彈性模量為2.5GPa。

參考文獻

[1] 馬旭.土工格柵加筋路堤邊坡數(shù)值模擬研究[J].青海交通科技，2020，32（5）：43-46，52.

[2] 劉漢龍，吳維軍，高玉峰.土工織物加固堤防非線性有限元分析[J].巖土力學，2003（1）：79-82，87.

[3] 肖念婷，王芳，張勇一.土工格柵加筋路堤的有限元分析[J].交通標準化，2011（1）：135-138.

[4] 趙世濤，楊蕾.塑料土工格柵對高填方邊坡的加固特性研究[J].塑料科技，2020，48（12）：67-70.

[5] 徐振鴻.靜動荷載邊界條件下土工格柵拉拔試驗宏細觀研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2021.

[6] 紀溪文.土工格柵加固路堤邊坡效果及影響因素分析[J]. 武漢理工大學學報，2021，43（12）：59-63.