加筋土擋土墻設(shè)計(jì)在青藏鐵路中的應(yīng)用

吳鳳蘭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

青藏鐵路沿線生態(tài)環(huán)境具有原始、獨(dú)特、脆弱、敏感等特點(diǎn),如何有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境,是青藏鐵路建設(shè)的重要任務(wù),努力建設(shè)“具有高原特色的生態(tài)環(huán)保型鐵路”是青藏鐵路的建設(shè)目標(biāo)。

加筋土擋土墻是青藏鐵路比較重要的環(huán)境保護(hù)措施之一,分別位于錯(cuò)那湖(4處/743 m)、那曲(2處/1 025 m)、桑雄(1處/1 130 m)、拉薩(4處/1 753 m),共計(jì)11處/4 651 m(見(jiàn)圖1)。設(shè)計(jì)加筋土擋土墻,減少了路基工程占用草場(chǎng)、濕地,與其他擋土墻比較,具有造價(jià)相對(duì)較低，外形美觀，施工簡(jiǎn)便，較為環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),還可以適應(yīng)一定的地基變形。

圖1 拉薩市區(qū)加筋土擋土墻外觀

1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

加筋土擋土墻是由拉筋材料、填料、面板(或包裹式結(jié)構(gòu))及基礎(chǔ)等組成的柔性路基支擋結(jié)構(gòu),其工作原理是,當(dāng)筋材與其上下填土之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠填料與拉筋之間的摩擦力,平衡墻面所承受的水平土壓力(即內(nèi)部穩(wěn)定),并以拉筋與填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗拉筋尾部填料所產(chǎn)生的土壓力(即外部穩(wěn)定)。與重力式擋土墻比較,加筋土擋土墻可以做得較高,能適應(yīng)較大的地基變形,具有良好的抗震性能,施工簡(jiǎn)便,造形美觀,備受青睞。青藏鐵路加筋土擋土墻設(shè)計(jì)構(gòu)思如下。

1.1 包裹式結(jié)構(gòu)

一般情況下,剛性的墻面板與柔性的加筋體之間的沉降差是不可避免的,如果拉筋與墻面板直接連接,容易造成拉筋在墻面板附近向下彎曲產(chǎn)生應(yīng)力集中,受力不均勻,墻體易產(chǎn)生外鼓、變形。采用包裹式設(shè)計(jì),將墻面板(此時(shí)面板稱為模塊)與加筋體分離,既解決了二者沉降差帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題,有利于擋土墻穩(wěn)定,也為墻面外觀設(shè)計(jì)的個(gè)性化創(chuàng)造了條件。

1.2 斜面式結(jié)構(gòu)

通常,加筋土擋土墻為直立式的,變形不易控制,施工也不方便。采用包裹式結(jié)構(gòu),可設(shè)計(jì)成斜面墻結(jié)構(gòu),既方便施工,也利于變形控制。

1.3 需要考慮的問(wèn)題

(1)探討包裹、斜面式加筋土擋土墻計(jì)算模式及加筋體與面板的連接方式。

(2)在錯(cuò)那湖有3處路堤填土較高,墻高10 m時(shí)墻頂填土高度分別為5.0 m、7.50 m和12.0 m,設(shè)計(jì)應(yīng)探討路堤式加筋土擋土墻計(jì)算模式。

(3)探討雙側(cè)加筋土擋土墻計(jì)算模式。

(4)安多至拉薩段地震基本烈度為七、八、九級(jí),在高烈度地震區(qū)修建加筋土擋土墻并不多見(jiàn),設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地震的影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)計(jì)算結(jié)果,路肩式加筋土擋土墻橫斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示(路堤式上部可不設(shè)封閉層)。

2.1 填料

填料盡量采用粗粒土,不含粒徑大于1/3填土厚度的尖棱狀碎石。填料壓實(shí)度滿足規(guī)范要求。

2.2 拉筋

結(jié)合高原和高烈度的特征,采用高密度聚乙烯土工格柵和雙向經(jīng)編高強(qiáng)土工格柵作為拉筋材料,要求其有效面積系數(shù)0.4,與填料間摩擦系數(shù)0.4,最大拉伸應(yīng)變10%對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度不120 kN/m,在20℃時(shí)的蠕變極限強(qiáng)度44 kN/m,在-45 ℃低溫下凍融循環(huán)200次抗拉強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值,而且要求具有長(zhǎng)期的抗老化性能。

圖2 路肩加筋土擋土墻橫斷面

拉筋從工程作用分為受力拉筋、回裹拉筋及構(gòu)造拉筋等(見(jiàn)圖3)。受力拉筋長(zhǎng)度由內(nèi)、外部穩(wěn)定性計(jì)算得到?；毓铋L(zhǎng)度2～3 m(包括回裹弧形部分),包裹土體,與受力拉筋一起形成自穩(wěn)體系。構(gòu)造拉筋將模塊與加筋體連為一體,長(zhǎng)度2～3 m,自模塊外側(cè)算起。

拉筋重疊時(shí),除構(gòu)造拉筋與受力主筋可直接重疊外,其他拉筋之間用不小于5 cm厚填料隔開(kāi)?；毓盍虾穸葹?.20 m(構(gòu)造拉筋與受力主筋不重疊時(shí))或0.25 m(構(gòu)造拉筋與受力主筋重疊時(shí))。

2.3 面板

包裹式結(jié)構(gòu)面板僅起保護(hù)筋材、裝飾外觀、防止填料外漏等作用,單塊面板稱之為模塊。模塊尺寸0.5 m(長(zhǎng))×0.48 m(寬)×0.30 m(厚)和0.25 m(長(zhǎng))×0.48 m(寬)×0.30 m(厚)兩種。模塊與加筋體之間設(shè)構(gòu)造拉筋連接,即將基礎(chǔ)或底層模塊頂面潤(rùn)濕,抹一層M35水泥砂漿,鋪土工格柵(構(gòu)造拉筋),再抹一層M35水泥砂漿,安裝上層模塊并用插銷固定。模塊在預(yù)制時(shí)應(yīng)預(yù)留插銷孔、泄水孔。

圖3 拉筋鋪設(shè)示意

2.4 基礎(chǔ)及帽石

基礎(chǔ)埋深不小于1.0 m,采用C20混凝土現(xiàn)場(chǎng)灌注,必要時(shí)采用鋼筋混凝土?；卓勺龀梢幻嫫禄蚪Y(jié)合地形做成臺(tái)階形,臺(tái)階高度(相鄰基礎(chǔ)頂面高差)應(yīng)為模塊厚度的整數(shù)倍,路基兩側(cè)擋墻基頂高差應(yīng)為模塊厚度的整數(shù)倍。

帽石采用C20混凝土現(xiàn)場(chǎng)灌注,根據(jù)需要設(shè)計(jì)成臺(tái)階式或裙帶式。路肩式加筋墻墻頂設(shè)防護(hù)桿欄。

2.5 與結(jié)構(gòu)物的連接

涵洞穿過(guò)擋土墻時(shí),銜接部位采用異型面板,并適當(dāng)?shù)菇?。銜接部位適當(dāng)加密筋材。

那曲、桑雄、拉薩市區(qū)加筋土擋土墻兩端或中部設(shè)有大、中或小橋,采用臺(tái)階式連接(圖4),使墻與橋自然連接,渾然一體,也方便以后養(yǎng)護(hù)維修。

圖4 拉薩加筋土擋土墻

2.6 其他

墻頂設(shè)二八灰土封閉層。反濾層、泄水孔、伸縮縫均參照重力式擋土墻規(guī)范要求設(shè)置?？紤]涵洞、橋臺(tái)附近一般為薄弱環(huán)節(jié),不應(yīng)在此銜接部位設(shè)置伸縮縫。

地基強(qiáng)度不滿足要求時(shí),必須采取處理措施。

3 施工程序

(1)進(jìn)行地基處理,現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)地基條件與設(shè)計(jì)不符時(shí),及時(shí)采取必要的處理措施。

(2)基礎(chǔ)放線、開(kāi)挖至基礎(chǔ)底面高程,基底采用一面坡或臺(tái)階形。擋土墻位于曲線上時(shí),應(yīng)注意分段(5 m較合適)放線成圓順折線形。

(3)現(xiàn)澆條形基礎(chǔ),預(yù)留插銷孔(或用電動(dòng)沖擊鉆后期成孔)。

(4)裁剪構(gòu)造拉筋、受力拉筋(含回裹拉筋長(zhǎng)度),在基礎(chǔ)頂面抹砂漿(抹砂漿前將模塊頂面潤(rùn)濕),鋪構(gòu)造拉筋,砌筑第一層模塊并插鋼筋插銷,鋪受力拉筋。注意拉筋重疊時(shí)用填料隔開(kāi)。

(5)填土,壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求后回裹填料。

(6)重復(fù)以上步驟,最后施工帽石、欄桿、墻頂封閉層。

(7)施工時(shí)應(yīng)合理安排兩側(cè)擋墻同步協(xié)調(diào)施工。

4 體會(huì)

青藏鐵路11處/4 651 m加筋土擋土墻全部采用包裹式斜面墻結(jié)構(gòu),拉筋采用高密度聚乙烯土工格柵、雙向經(jīng)編高強(qiáng)土工格柵,墻與橋之間臺(tái)階式連接,實(shí)踐證明,加筋土擋土墻工程在青藏鐵路的應(yīng)用是成功的,在設(shè)計(jì)及配合施工過(guò)程中有以下體會(huì)：

(1)采用包裹式結(jié)構(gòu)后,基礎(chǔ)、每層模塊及拉筋可不水平鋪設(shè),如路肩墻可按線路縱坡鋪設(shè),縱坡較大時(shí)基礎(chǔ)可設(shè)計(jì)成臺(tái)階形,臺(tái)階高度為模塊厚度的整數(shù)倍。回裹拉筋計(jì)算長(zhǎng)度一般在1 m左右,設(shè)計(jì)一般采用2～3 m。

(2)從計(jì)算過(guò)程看,在內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算時(shí)并沒(méi)有考慮斜面墻結(jié)構(gòu),有一定的安全度,但在外部穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)按斜面墻結(jié)構(gòu)計(jì)算,減少了土壓力。從施工角度講,斜面墻結(jié)構(gòu)也便于變形控制,便于施工。

(3)采用斜面墻結(jié)構(gòu)后,兩側(cè)加筋墻拉筋不存在應(yīng)力疊加,可分別按獨(dú)立加筋土墻設(shè)計(jì),但應(yīng)注意兩側(cè)基礎(chǔ)頂面高差為模塊厚度的整數(shù)倍,保證拉筋盡量鋪設(shè)在同一高程,以利于填土作業(yè)。

(4)在內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),受力拉筋(土工格柵)長(zhǎng)度往往比規(guī)范規(guī)定的長(zhǎng)度要小,取二者間的大值,但該值往往仍然比外部穩(wěn)定性計(jì)算的值要小。筆者的體會(huì)是,外部穩(wěn)定性一般控制受力拉筋的長(zhǎng)度,內(nèi)部穩(wěn)定性一般控制拉筋的容許抗拉強(qiáng)度。

(5)包裹式加筋土擋土墻一旦出現(xiàn)較大的沉降,可能出現(xiàn)斜向裂縫,上下模塊分離,一般不會(huì)出現(xiàn)墻面外鼓現(xiàn)象。但需要說(shuō)明的是,一旦出現(xiàn)較大的沉降,很難補(bǔ)救,施工前一定要認(rèn)真復(fù)查地質(zhì)條件,不能掉以輕心,必要時(shí)采取切實(shí)可行的地基處理措施。

(6)設(shè)計(jì)采用的計(jì)算模式是參照有關(guān)規(guī)范、工程實(shí)例設(shè)計(jì)的,實(shí)踐證明是安全可靠的,但并沒(méi)有相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,因此計(jì)算模式的科學(xué)性還需要繼續(xù)探討。

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