公路軟土地基加筋法研究

張維明

(重慶交通大學(xué))

1 加筋法的分類及技術(shù)特點(diǎn)

(1)加筋土結(jié)構(gòu)包括邊坡、墻、路堤和壩以及廢物管理設(shè)備等。加筋土結(jié)構(gòu)物一般不承受大的外荷，其主要設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)物在其自重下的穩(wěn)定性。

某些不均質(zhì)地基上的土結(jié)構(gòu)，如通過喀斯特上的路堤，構(gòu)成加筋土結(jié)構(gòu)，其加筋或在結(jié)構(gòu)之內(nèi)，或在結(jié)構(gòu)與不均勻軟基之間。

(2)承載加筋結(jié)構(gòu)，包括橋臺(tái)、柔性路面加筋、無(wú)鋪砌道路和鐵路基床加筋墊層、軟土地基上筑堤在界面上鋪設(shè)筋材的加筋結(jié)構(gòu)物。這類結(jié)構(gòu)在其自重下通常是穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)中主要考慮在容許變形之下能夠承受附加荷載的能力。

(3)原位加筋系統(tǒng)是用長(zhǎng)金屬桿扦入原位不擾動(dòng)土體的加筋法如錨桿，土釘?shù)?。錨桿設(shè)置于土中由錨頭、自由段和錨固段組成由砂漿與地層粘結(jié)成錨固體，撐拉支擋結(jié)構(gòu)，維護(hù)邊坡的穩(wěn)定。土釘系將一系列鋼筋材或鋼鉸索近似水平地置于擬加固的土質(zhì)邊坡中注漿形成加固體或似重力式擋土結(jié)構(gòu)保持邊坡的穩(wěn)定。此外還有在土中設(shè)置錨定板的輕型支擋結(jié)構(gòu)。

加筋法的優(yōu)點(diǎn)概括如下:

①加筋法可以筑造很高的垂直填土，當(dāng)然根據(jù)工程的需要也可以是傾斜坡面的;可用于地基，邊坡的加固和強(qiáng)化等;

②可以減少占地面積，特別是在不允許開挖的地區(qū)施工;

③加筋的土體及其結(jié)構(gòu)屬柔性的，對(duì)各種地基都有較好的適應(yīng)性，因而對(duì)地基的要求比其他結(jié)構(gòu)的建筑物為低。對(duì)遇到較弱地基時(shí)，常不需采用深基礎(chǔ)。如美國(guó)科羅拉多州一加筋土墻沉降達(dá)60cm 而僅在墻面上發(fā)生細(xì)小的裂紋;

④加筋法的支擋和橋、臺(tái)等結(jié)構(gòu)，墻面的變化多樣。可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)面板進(jìn)行美化，使之適用于城市道路工程，亦可采用表面植生，達(dá)到綠化的目的。

墻面板可就地預(yù)制，也可由工廠制造;

⑤加筋土結(jié)構(gòu)既適于機(jī)械化施工，也適于人力施工;施工設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需大型機(jī)械，更可以在狹窄場(chǎng)地條件下施工;施工管理簡(jiǎn)便，沒有建筑公害，諸如噪聲污染，施工垃圾的堆積等;

⑥加筋土的抗震性能、耐寒性能良好;

⑦造價(jià)較低。例如，根據(jù)國(guó)內(nèi)部分工程的資料統(tǒng)計(jì)，加筋土擋墻的費(fèi)用約為普通擋墻造價(jià)的40%～60%，并且墻愈高節(jié)省投資愈多。

加筋法也有一定的缺點(diǎn)。例如，采用金屬筋材時(shí)，由于金屬易銹蝕需要考慮防護(hù)措施;如采用聚合材料筋材，聚合物受紫外線照射會(huì)發(fā)生衰化以及材料的長(zhǎng)期蠕變性能在設(shè)計(jì)中都需予以考慮。

2 加筋土材料的評(píng)價(jià)及選擇

由加筋土基本材料構(gòu)成的各種加筋土結(jié)構(gòu)最終須確保它能安全、正常地運(yùn)用。在評(píng)價(jià)和選材時(shí)應(yīng)注意筋材與周圍土的相互作用特性，主要是二者的界面摩擦和抗拔特性;在荷載長(zhǎng)期作用下的變形特性以及具體環(huán)境條件下的抗老化性和耐久性。此外還須考慮施工的要求及損傷的可能和影響。一般應(yīng)在考慮具體的條件下進(jìn)行有關(guān)的規(guī)定試驗(yàn)，提供設(shè)計(jì)用的參數(shù)要仔細(xì)考慮到有關(guān)的影響，必要時(shí)還要進(jìn)行專門的試驗(yàn)。評(píng)價(jià)和選用材料還要考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的使用期限。

筋－土的摩擦和抗拔特性分別由具體使用材料的直剪和抗拔試驗(yàn)確定?？拱文芰υu(píng)估，設(shè)計(jì)需要的長(zhǎng)期抗拔性態(tài)的三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。

(1)抗拔能力要求每一筋材的抗拔力必須滿足在設(shè)計(jì)荷載下的拉力并具有安全儲(chǔ)備;

(2)容許位移、發(fā)揮設(shè)計(jì)拉力時(shí)，筋相對(duì)于土的位移應(yīng)小于容許的位移;

(3)長(zhǎng)期位移、拔出力應(yīng)小于臨界蠕變荷載。長(zhǎng)期拉拔狀態(tài)(在常量設(shè)計(jì)荷載下的位移)主要控制于土和筋材的蠕變特性，故土筋系統(tǒng)通常不能用于對(duì)蠕變敏感的粘土。

抗拔力定義為筋從土中拔出的最大拉力，有多種估算方法，下面為美國(guó)FHWA 手冊(cè)推薦的估算式

式中:Pr為單位寬度筋材的抗拔力;α 為尺寸修正;σ'v為筋土交面上有效垂直應(yīng)力;Le·C 為破壞面后單位筋材寬度的總表面積，其中Le為破壞后的埋長(zhǎng)，C 為有效周長(zhǎng)，對(duì)于條帶、格柵和面狀筋材C=2;F*為抗拔阻力因數(shù)(或摩擦——承載——相互作用因數(shù))。

試驗(yàn)證明筋材與土之間的摩擦系數(shù)與位移大小和土的類型有關(guān)，摩擦力隨位移增大而增大，當(dāng)剪切位移較大時(shí)(＞4～6 mm)，筋材與砂土的摩擦角大于砂土的內(nèi)摩擦角;而筋材與粘土的內(nèi)摩擦角一般總比粘土加內(nèi)摩擦角小。對(duì)于重大工程筋土的內(nèi)摩擦角應(yīng)通過大型剪切試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定。對(duì)于試驗(yàn)條件不具備且缺乏當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，我國(guó)《公路加筋工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的數(shù)據(jù)如表1。

表1 土與筋材的表觀摩擦系數(shù)

3 加筋土筋材的容許抗拉強(qiáng)度

加筋土筋材容許抗拉強(qiáng)度，按金屬筋材及土工合成材料筋材分別考慮。

3.1 金屬筋材的容許抗拉強(qiáng)度

金屬筋材單位寬度的容許抗拉強(qiáng)度Ta 可按式(2)計(jì)算式中:σa為筋材金屬的容許抗拉強(qiáng)度，一般采用等于0.55σy(σy為屈服強(qiáng)度)。若為焊接鋼絲網(wǎng)則σa=0.47σy;Ac為金屬筋材的有效斷面積;b 為金屬筋材的寬度。

3.2 土工合成材料筋材的容許抗拉強(qiáng)度

由于目前的試驗(yàn)方法并不能如實(shí)地模擬材料的實(shí)際工作條件及環(huán)境，諸如試樣尺寸，試驗(yàn)邊界條件，受荷形式及速率等，為了考慮導(dǎo)致的差異，采用以試驗(yàn)所得的極限抗拉強(qiáng)度再分別針對(duì)各種影響計(jì)算折減的分項(xiàng)安全系數(shù)，按下述方法確定容許抗拉強(qiáng)度Ta。

式中:FID為考慮施工損傷的安全系數(shù);FCR為考慮材料蠕變的安全系數(shù);FCD為考慮化學(xué)損傷的安全系數(shù);FBD為考慮生物損傷的安全系數(shù);Tu為筋材抗拉強(qiáng)度極限值。

分項(xiàng)安全系數(shù)隨筋材材質(zhì)及不同工程對(duì)象而不同，分項(xiàng)安全系數(shù)的取值，必須考慮具體的條件。

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