加筋土擋墻的設計

改造者：史 震

加筋土擋墻的設計

改造者：史 震

加筋土擋墻作為一種較為常見的道路支擋結(jié)構(gòu)，目前普遍應用于公路、鐵路、建筑等行業(yè)。本文對加筋土擋墻擋起源、特點、設計原理進行了簡要論述，為加筋土擋墻的設計及應用提供參考。

概述

加筋土是指在土體中加入筋帶等類似材料的復合土，在土體中加筋后，土體的抗剪強度明顯提高，增加土體的整體穩(wěn)定性。加筋土理論的提出可追溯到上世紀60年代，當時的法國人亨利維達爾通過實驗發(fā)現(xiàn)，在土中摻入纖維材料時，其強度及穩(wěn)定性將得到大幅度的提升，隨即提出了加筋土設計理論。在接下來的5年中，加筋土結(jié)構(gòu)引起了整個歐洲乃至世界各國的關注，不斷將加筋土結(jié)構(gòu)運用于實際工程中，并對這一理論進行了系統(tǒng)的研究，從最初的道路支擋結(jié)構(gòu)擴展到堤壩、護岸以及建筑基礎等多個領域，成為一種應用廣泛的結(jié)構(gòu)類型。我國從上世紀80年代開始對加筋土結(jié)構(gòu)進行研究，并廣泛應用在公路、鐵路、建筑等行業(yè)，而在應用最為廣泛的公路方面，則以擋墻、邊坡防護等為主。目前國內(nèi)對加筋土結(jié)構(gòu)的理論研究已接近國際先進水平。

加筋土擋墻的特點

在實際應用過程中，加筋土擋墻不同于傳統(tǒng)重力擋墻的多項特點使其優(yōu)勢越來越明顯，總體說來有以下幾點。

（1）占地少。與普通重力式擋墻不同，加筋土擋墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，對基礎要求低，高度可輕松超越傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)，而且墻面可為垂直，從而很大程度上減少占地面積。這一點對于城市、山區(qū)等用地緊張且放坡困難的地區(qū)來說，有著巨大的經(jīng)濟意義。

（2）造價低。加筋土擋墻面板薄，而且基礎尺寸較小，與普通重力是擋墻相比，可節(jié)省90％～95％的圬工數(shù)量，工程造價比石砌擋墻或鋼筋混凝土擋墻減少20％～60％。而且隨著擋墻高度的增加，節(jié)省的資金也越多。這一點對于安全性與經(jīng)濟性并重的當今社會來說，是相當重要的。

（3）施工簡便。組成加筋土擋墻的構(gòu)件主要包括面板、拉筋、基礎等，以上主要構(gòu)件均可預先制作，除墻后填土需要機械壓實外，不需要再配置其他機械設備，施工過程易于掌握把控，安全性高，且工期較短，節(jié)省勞動力。

（4）抗震性好。由于加筋土擋墻為柔性結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)重力式擋墻相比，擁有更好的抗震性，可應用于地震發(fā)生頻繁的地區(qū)。

（5）造型美觀。加筋土擋墻的面板可根據(jù)實際需要設計成各種造型，拼裝后形成外形美觀的建筑物，適應周邊環(huán)境的同時，改善道路沿線景觀效果。

加筋土擋墻的設計

加筋土擋墻與傳統(tǒng)重力是擋墻在概念上與構(gòu)造上都不相同。重力式擋墻是依靠自身重量抵抗墻后滑移面內(nèi)的側(cè)向土壓力。而加筋土擋墻則是通過埋入土體內(nèi)的拉筋把土體分成若干區(qū)域，通過拉筋與土體的摩擦作用抵抗土體側(cè)向壓力，防止土體產(chǎn)生滑動，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

加筋土擋墻的設計方法主要包括極限平衡法，極限狀態(tài)法以及有限元法三種。極限平衡法與極限狀態(tài)法主要用于分析擋土墻破壞時的安全系數(shù)，有限元法用于分析加筋土擋墻在工作狀態(tài)和破壞狀態(tài)下拉筋的拉力分布以及土體的變形情況。加筋土擋墻的設計計算內(nèi)容包括主要為內(nèi)部穩(wěn)定性分析、外部穩(wěn)定性分析。

（1）內(nèi)部穩(wěn)定性分析

加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析包括拉筋的拉力計算、拉筋強度驗算以及拉筋長度的確定。而其中的拉筋拉力計算又是設計者關注的熱點。加筋土理論發(fā)展初期，人們通常使用朗金庫論法計算拉筋拉力，也就是認為墻后土體的破裂面與水平線成（45°+φ/2）。然而在之后的眾多實驗表明，實際的破裂面與朗金庫論理論破裂面不符，滑移體頂寬由H/tan（45°+φ/2）縮小至小于等于0.3倍的墻高。造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于朗金庫論法確定的破裂面為單純土體破裂面，加筋土擋墻拉筋伸入墻背土體后，與土體結(jié)合形成“復合材料”，這種“復合材料”與單純土體相比擁有更高的穩(wěn)定性，因此，在加筋土擋墻設計時采用朗金庫論法就會得到相對保守的結(jié)果，而采用復合材料理論，則更貼近實際。這一理論后來取代朗金庫論法，并得到廣泛認同。復合材料法根據(jù)作用在拉筋上的垂直應力分布情況計算拉筋拉力，我國現(xiàn)行的《公路加筋土工程設計規(guī)范》采用的也是垂直應力分布法。

（2）外部穩(wěn)定性分析

加筋土擋墻外部穩(wěn)定性分析包括滑移穩(wěn)定分析、傾覆穩(wěn)定分析、基底應力計算、整體穩(wěn)定性分析。其中滑移穩(wěn)定分析、傾覆穩(wěn)定分析、基底應力計算與重力式擋墻類似，在多種荷載組合條件下，滑移穩(wěn)定系數(shù)需大于1.3，傾覆穩(wěn)定系數(shù)需大于1.5，基底應力需小于地基容許承載力。整體抗滑穩(wěn)定性分析，是確定潛在破裂面的穩(wěn)定系數(shù)分析，即判別加筋土擋墻是否會隨著地基一起滑動，這一分析常采用圓弧滑動面法進行驗算。具體驗算方法有以下三種。

假定拉筋長不超過可能的滑動面，可按照普通圓弧法進行穩(wěn)定性分析。見圖1。

假定破裂面穿過拉筋，在加筋體部分考慮因拉筋產(chǎn)生的黏聚力，將該力視為穩(wěn)定力，計入穩(wěn)定力矩中。

假定破裂面穿過拉筋，將伸入破裂面的拉筋產(chǎn)生的抗拔力對圓心取矩，視為穩(wěn)定力，當拉筋強度小于抗拔力時，以抗拉強度控制，計算穩(wěn)定力矩。

在《公路加筋土工程設計規(guī)范》中，推薦按照方法一進行計算，則計算公式具體如下：

圖1　

Ci、Li 第i條塊滑動面上的黏聚力（千帕）與弧長（m）

Wi 第i條塊自重及其荷載重（千牛）

φi 第i條塊滑動面上的內(nèi)摩擦角

αi 第i條塊滑動圓弧的法線與豎直線的夾角

在多種荷載組合條件下，整體滑動穩(wěn)定系數(shù)需大于1.25。

結(jié)語

加筋土擋墻以其自身占地少、造價省、施工簡單等多方面的優(yōu)勢，成為目前公路、鐵路、建筑等行業(yè)中較為常見的一種支擋結(jié)構(gòu)。隨著理論研究的深入，在未來此類結(jié)構(gòu)的設計將更加貼近實際，使結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定，耐久實用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.038