采用加筋墊層處理公路擋墻下軟弱地基的設(shè)計(jì)方法

楊文江

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路擋墻基底的軟弱地基處理措施中，墊層法以其施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、處治效果良好而被廣泛應(yīng)用。但是，墊層法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于受墊層材料本身的應(yīng)力擴(kuò)散角有限且過(guò)厚的墊層不經(jīng)濟(jì)的局限。同時(shí)根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的要求，當(dāng)墊層厚度與基礎(chǔ)寬度之比小于0.25時(shí)，不考慮墊層的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，墊層則起不到擴(kuò)散應(yīng)力，提高地基承載力的效果。由此，對(duì)于地基承載力要求較高而基底承載力又過(guò)低的擋土墻，不得不放棄墊層法而采用其他相對(duì)工藝復(fù)雜的處治措施。加筋墊層則通過(guò)在普通墊層中加鋪水平向土工筋帶的措施，提高了墊層結(jié)構(gòu)的抗剪性能和整體穩(wěn)定性，墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角也隨之?dāng)U大，從而使得墊層上部的附加荷載通過(guò)加筋墊層應(yīng)力擴(kuò)散后的應(yīng)力值較普通墊層應(yīng)力擴(kuò)散后的應(yīng)力值明顯減小，且不受墊層厚度與基礎(chǔ)寬度之比小于0.25時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角為零的限制。然而，由于目前公路相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范尚未涉及到這方面內(nèi)容，因此山西省高速公路中擋墻基底處理中加筋墊層應(yīng)用較少。本文將具體通過(guò)工程實(shí)例介紹加筋墊層在高速公路擋墻基底處理中的應(yīng)用。

1 原理分析

墊層中加鋪土工筋帶后，在荷載作用下，筋帶與墊層粒料界面的摩擦作用限制了墊層材料的側(cè)向位移，等效于為墊層施加了一側(cè)向約束，避免復(fù)合墊層的剪切破壞、側(cè)向擠出和隆起，從而使墊層的整體性能和剛度提高，擴(kuò)大墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角，有利于荷載在傳遞過(guò)程中的擴(kuò)散，使得墊層基礎(chǔ)荷載能夠在有限的墊層厚度范圍內(nèi)應(yīng)力得以有效地分散減弱，降低對(duì)下臥層的承載力要求值；同時(shí)，通過(guò)材料界面摩擦作用，復(fù)合墊層中的筋帶在荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通過(guò)筋帶的高強(qiáng)抗拉強(qiáng)度使得筋帶承擔(dān)部分荷載，從而提高了墊層的承載力。

2 采用加筋墊層進(jìn)行地基處理的設(shè)計(jì)方法

采用加筋墊層進(jìn)行地基處理的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括加筋墊層中加筋材料和墊層材料的選擇、墊層厚度的確定與墊層加筋層數(shù)和層間距的確定、加筋墊層層底承載力和沉降的驗(yàn)算。

2.1 加筋材料的選擇

參考《化工建(構(gòu))筑物地基加筋墊層技術(shù)規(guī)程》HG/T 20708—2011，加筋材料可選擇GSLD/GSA塑鋼土工復(fù)合筋帶和SLLD/GF塑玻土工復(fù)合筋帶。加筋墊層中的加筋應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度高、拉力狀態(tài)下延伸率小，耐久和抗腐蝕性能好，柔韌性好，材料表面與墊層填料間具有足夠的摩阻力等特點(diǎn)。加筋材料宜選擇雙向網(wǎng)狀土工格柵，其具體包括加筋材料的物理性能和力學(xué)性能兩個(gè)方面：

a)力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于120 MPa,伸長(zhǎng)率宜為2%～3%之間,似摩擦系數(shù)大于等于0.5，偏斜率小于0.01 mm/m。

b)物理性能 物理性能應(yīng)滿足表1要求[1]。

2.2 墊層材料的選擇

墊層材料可根據(jù)工程就近原則，按照設(shè)計(jì)承載力要求選用級(jí)配碎石、砂礫、粗砂和灰土等。墊層應(yīng)按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度不低于規(guī)范要求值。粒料墊層同時(shí)應(yīng)滿足規(guī)范中對(duì)墊層材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，灰土墊層宜采用三七灰土。

表1 加筋墊層筋帶物理力學(xué)指標(biāo)表

2.3 加筋墊層厚度的確定與墊層加筋層數(shù)和層間距的確定

2.3.1 構(gòu)造要求

參考《化工建(構(gòu))筑物地基加筋墊層技術(shù)規(guī)程》HG/T 20708—2011和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012，加筋墊層需滿足如下構(gòu)造要求：

a）加筋墊層中的首層筋帶距墊層頂面的距離(首層距 μ)應(yīng)為 0.3 h(h為墊層厚度)。

b）多層筋帶的層間距ΔH應(yīng)為0.3 h～0.5 h且不小于200 mm。

c）土工復(fù)合筋帶的中心距離宜取250～500 mm，加筋線密度LDR（筋帶寬度與筋帶間水平距離之比）宜取12%～17%且不宜大于20%。

d)墊層邊緣處，土工復(fù)合筋帶應(yīng)反包回折壓入墊層，當(dāng)墊層寬度大于5 m時(shí)，回折長(zhǎng)度宜為不小于2.5 m，并伸入到擋墻基礎(chǔ)垂直投影范圍內(nèi)，當(dāng)墊層寬度小于5 m時(shí)，土工筋帶回折后進(jìn)行搭接，搭接長(zhǎng)度不小于1 m，同時(shí)搭接部分位于擋墻基礎(chǔ)垂直投影范圍內(nèi)。

e)土工復(fù)合筋帶的連接宜采用搭接法，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于1 m。

f)土工復(fù)合筋帶不得直接置于墊層底面與原狀土接觸。

g）加筋墊層的厚度應(yīng)控制在0.5～3.0 m之間。

h）加墊墊層頂寬應(yīng)寬出基礎(chǔ)底兩側(cè)不小于0.3 m，墊層底寬應(yīng)滿足基底應(yīng)力經(jīng)墊層擴(kuò)散后的寬度，并根據(jù)施工要求適當(dāng)放寬。

i）加筋墊層在進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算時(shí)，不受墊層厚度h與基礎(chǔ)寬度b之比小于0.25時(shí)應(yīng)力擴(kuò)散角為零的限制[1-2]。

2.3.2 地基軟弱下臥層承載力驗(yàn)算

公路擋墻下地基軟弱下臥層承載力驗(yàn)算可根據(jù)條形基礎(chǔ)軟弱下臥層頂附加應(yīng)力值計(jì)算公式，即

式中：pz為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；b為條形基礎(chǔ)底寬，m；z為墊層厚度，m；pc為基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值，kPa；pk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，kPa；θ為墊層應(yīng)力擴(kuò)算角，墊層應(yīng)力擴(kuò)散角可參考表2[3]。

表2 墊層應(yīng)力擴(kuò)散角

2.4 加筋墊層加筋材料強(qiáng)度

加筋墊層中加筋材料強(qiáng)度應(yīng)符合下式規(guī)定：

式中：TP為加筋墊層中加筋材料作用力，TP=pzfs/mc，fs為似摩擦系數(shù)，可取0.52～0.54，mc為加筋材料影響系數(shù)，一般取值為4～6[2]；Ta為加筋材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

3 工程實(shí)例

某高速公路路肩墻，墻高8 m，擋墻頂寬1.46 m，墻面坡與墻背坡坡度均為1∶0.25，基底設(shè)有1∶10的反向坡并設(shè)有無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)，擴(kuò)展基礎(chǔ)寬0.3 m，高0.7 m。擋墻基底寬度為2.12 m，基礎(chǔ)埋深為1.71 m。擋墻要求地基承載力墻趾處為252 kPa，墻踵為64 kPa。在施工過(guò)程中，基礎(chǔ)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)基底標(biāo)高后經(jīng)地基承載力檢測(cè)持力層地基承載力為120 kPa,且持力層厚度為5 m。需對(duì)地基進(jìn)行處理，以提高持力層的承載力。

采用普通砂礫墊層與加筋砂礫墊層分部進(jìn)行地基處理計(jì)算比較。

持力層土層容重取18 kN/m3，砂礫墊層容重取21 kN/m3，地基承載力深度修正時(shí)的深度修正系數(shù)ηd=1.5。普通砂礫墊層擴(kuò)散角取30°，加筋墊層將采用3層以上加筋，因此擴(kuò)散角值采用38°。

3.1 采用普通砂礫墊層換填計(jì)算墊層厚度

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》第4.2.2-1式，pz+pcz≤faz，其中pz為相應(yīng)于荷載效應(yīng)組合時(shí)，墊層底面處的附加壓力值；pcz為墊層地面處土的自重壓力值；faz為經(jīng)深、寬度修正后的墊層底面處的地基承載力特征值。假設(shè)墊層厚度為2.3 m,則經(jīng)深、寬度修正后的

墊層底面處地基承載力特征值faz=120+1.5×（2.3+1.5-0.5）×（2.3×21+1.5×18）/（2.3+1.5）=218.1 kPa；

則，pz+pcz=75.3+141.1=216.4kPa≤faz=218.1 kPa，滿足要求。

3.2 采用加筋砂礫墊層換填計(jì)算墊層厚度：

假設(shè)墊層厚度為1.8 m,采用3層加筋。經(jīng)深、寬度修正后的墊層底面處地基承載力特征值faz=120+1.5×(1.8+1.5-0.5)×(1.8×21+1.5×18)/(1.8+1.5)=202.5 kPa。

則，pz+pcz=136.9+64.8=201.7 kPa≤faz=202.5 kPa，滿足要求。

考慮采用加筋墊層進(jìn)行地基處理。

3.3 墊層寬度計(jì)算

墊層頂寬為擋墻基礎(chǔ)底寬兩側(cè)各加0.3 m寬，即B=b+2×0.3=2.55+0.6=3.15 m；

墊層底寬根據(jù)公式b′=b+2ztanθ計(jì)算，即b′=2.55+2×1.8×tan38°=5.36 m。

3.4 加筋墊層土工合成材料強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)2.4中，TP=pzfs/mc=136.9×0.52/4=17.8 kPa;

土工合成材料選用雙向GSL35/PE土工格柵，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度Ta=21 kN/m。

Tp≤Ta，滿足要求。

3.5 加筋墊層構(gòu)造設(shè)計(jì)

加筋墊層按3層加筋設(shè)計(jì)，首層加筋距離墊層頂面距離為0.6 m，加筋垂直間距為0.5 m，最下層加筋距離墊層底為0.2 m，沿加筋墊層橫向土工格柵端部采用回折，并在回折處防止土工格柵受損設(shè)置胞腔式砂石袋。具體見(jiàn)圖1。

圖1 墊層設(shè)計(jì)大樣圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)加筋墊層處理后的地基承載力由于目前尚未完善的計(jì)算理論，因此，采用加筋墊層處理后的地基承載力應(yīng)以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，但工程實(shí)際標(biāo)明，加筋后的墊層承載力較普通墊層有明顯提高。同時(shí)，墊層加筋后，墊層的整體性能穩(wěn)定性得以提高。對(duì)于對(duì)地基變形要求較高的擋土墻，應(yīng)進(jìn)行地基處理后的地基沉降驗(yàn)算。

加筋墊層作為進(jìn)行淺層地基處理的一種新形式，盡管《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》已將其列入其中，但目前仍處于研究階段。大量的工程實(shí)踐證明，其地基處理效果是顯著的。在山西省，太原理工大學(xué)白曉紅教授和煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院勘察設(shè)計(jì)大師王步云先生為加筋墊層技術(shù)方面做出了卓越的貢獻(xiàn)，為山西省加筋墊層的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文中所涉及到的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，也都借鑒于上述兩位專家的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。