加筋格賓擋墻在山區(qū)公路填方路基中的應(yīng)用

楊文江

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，公路網(wǎng)在不斷延伸，山區(qū)公路在整個(gè)公路網(wǎng)中的比重也日益增加。受山區(qū)復(fù)雜的地形條件限制，山區(qū)公路中填方路基多數(shù)處于斜坡地段，路基穩(wěn)定性差。為確保山區(qū)公路填方路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定，工程中常通過設(shè)置擋土墻進(jìn)行填方邊坡收坡和支擋。工程中常見的擋土墻結(jié)構(gòu)均為漿砌片石、鋼筋混凝土等剛性材料組成，其在以往工程中確保路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用，但其抗變形能力差、地基承載力要求高、墻后土體積水不易及時(shí)排出等缺點(diǎn)也造成諸多工程失效的案例。加筋格賓擋墻通過將加筋土與格賓擋墻的結(jié)合，在確保山區(qū)公路填方路基長(zhǎng)期穩(wěn)定的同時(shí)，克服了傳統(tǒng)剛性擋土墻抗變形能力差、墻后土體積水不易排水等缺點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)墻體植物綠化，保護(hù)工程施工點(diǎn)的生物多樣性，弱化了工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的不良影響，符合“綠色公路”建設(shè)理念。

加筋格賓擋墻與傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

a）基礎(chǔ)承載力要求低 加筋格賓擋墻通過土體加筋提高擋墻穩(wěn)定性的同時(shí)，降低擋墻自身重度，從而使擋墻基礎(chǔ)的承載力要求降低。

b）地基變形適應(yīng)性強(qiáng) 能適應(yīng)地基土的不均勻變形，無需設(shè)沉降縫，還可通過筋帶加強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的相互作用來提高結(jié)構(gòu)的整體性。

c）實(shí)現(xiàn)墻面快速排水 面墻填石的多孔隙結(jié)構(gòu)可在暴雨工況迅速降低路基土的孔隙水壓力，保持土體強(qiáng)度，避免由于墻后土體排水不暢而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

d）綠色生態(tài)優(yōu)勢(shì)明顯 加筋格賓面墻設(shè)計(jì)為臺(tái)階式，可在臺(tái)階上放置種植土工包促進(jìn)植被生長(zhǎng)，做到結(jié)構(gòu)與周圍自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一，同時(shí)多孔性的結(jié)構(gòu)特性也為項(xiàng)目沿線小型動(dòng)物提供了棲息場(chǎng)所，保護(hù)了生物多樣性，實(shí)現(xiàn)了“綠色公路”的建設(shè)目標(biāo)。

e）經(jīng)濟(jì)性 與重力式擋墻相比，可節(jié)省圬工數(shù)量95%～97%，造價(jià)較漿砌石擋墻和鋼筋混凝土擋墻減小10%～60%以上。

加筋格賓擋墻主要由格賓墻面和加筋土兩部分組成。格賓墻面是由經(jīng)耐腐處理的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)片組合成蜂巢網(wǎng)箱后填入潔凈的抗風(fēng)化片、塊石或卵石組成一種新型的擋土結(jié)構(gòu)。由于格賓擋墻單級(jí)配的大孔隙特點(diǎn)和鋼絲網(wǎng)片的側(cè)向約束，使得格賓擋墻既具備了傳統(tǒng)干砌擋墻的透水性和生態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)干砌擋墻變形過大的不足。單純的格賓擋墻由于其主要依靠鋼絲鉸接和片塊石機(jī)械咬合的摩阻力抵抗土體變形，因而支擋能力有限，若墻后土壓力較大則造成格賓擋墻的體積過大。通過對(duì)墻后一定范圍內(nèi)的填土進(jìn)行加筋處理，則可使墻后土體與格賓擋墻共同受力起到支擋效果，同時(shí)彌補(bǔ)了普通加筋擋土墻筋材易暴露于大氣環(huán)境下的缺陷。

本文將通過某高速公路加筋格賓擋墻設(shè)計(jì)實(shí)例論述加筋格賓擋墻的設(shè)計(jì)及施工。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某高速公路K85+547—K85+907段填方路基，路基右側(cè)邊坡高度為9～10 m，距離路基左側(cè)頂邊緣線6 m處為一新建地方旅游公路，旅游公路右側(cè)為村莊。該段路基地質(zhì)為表層0.5～0.8 m厚種植土，下伏15～20 m厚Q4卵石土層。表層種植土層地基承載力為60 kPa，Q4砂卵石層地基承載力為200 kPa。項(xiàng)目工點(diǎn)地震加速度值為0.15g，地震設(shè)防烈度為7度。項(xiàng)目工點(diǎn)最大凍深為0.8 m。路基填料為砂土，壓實(shí)后容重為 19 kN/m3，飽和容重為20.8 kN/m3，壓實(shí)后土體的內(nèi)摩擦角φ=30°，黏聚力C=10 kPa。

該段填方路基若按正常邊坡放坡則邊坡放坡距離為13.5～15.5 m，侵占了現(xiàn)有旅游公路，且旅游公路右側(cè)為村莊不具備改線條件。因此通過設(shè)置擋墻進(jìn)行邊坡收坡。

1.2 設(shè)計(jì)方案比選

擋墻如采用傳統(tǒng)重力式漿砌片石或片石混凝土擋墻，墻高需按11.5 m考慮，地基承載力要求為300 kPa以上，需進(jìn)行地基處理，且高速公路右側(cè)為旅游公路與村莊，長(zhǎng)大距離的圬工工程對(duì)旅游公路的景觀產(chǎn)生較差的視覺效果，因此考慮采用加筋格賓擋墻進(jìn)行該段路基邊坡的收坡。

1.3 方案設(shè)計(jì)

以最大坡高10 m為典型斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮表層種植土厚度為0.5～0.8 m，最大凍深為0.8 m，擋墻埋深按1 m考慮。因此以墻高11 m進(jìn)行擋墻設(shè)計(jì)。擋墻面坡坡率自路基頂以下6 m范圍內(nèi)邊坡坡率為1∶0.5，以下部分邊坡坡率為1∶0.3。并考慮擋墻格賓擋墻寬度不進(jìn)入路基頂寬度范圍內(nèi)，實(shí)際放坡寬度為5.2 m，可確保路基邊坡不侵占旅游公路界限。具體如圖1示意。

圖1 格賓加筋擋墻典型斷面圖（單位：m）

格賓擋墻每個(gè)蜂巢網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)尺寸為高1 m×寬0.8 m×長(zhǎng)3 m，格賓網(wǎng)內(nèi)延長(zhǎng)度為3 m。格賓網(wǎng)型號(hào)網(wǎng)孔8 cm×10 cm，網(wǎng)面鋼絲直徑為2.7 mm的雙絞合網(wǎng)片。格賓網(wǎng)極限抗拉強(qiáng)度最小值為50 kN/m。

土工格柵路基頂以下6 m范圍設(shè)土工格柵長(zhǎng)度為5 m，下部5 m范圍土工格柵長(zhǎng)度為8 m。土工格柵布設(shè)于每層格賓擋墻的頂部和底部并與格賓擋墻內(nèi)延格賓網(wǎng)片有效連接。土工格柵材料要求見表1。

表1 土工格柵指標(biāo)要求值

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算原理

加筋格賓擋墻盡管墻面采用了格賓擋墻面板，但由于格賓擋墻支擋作用在整個(gè)加筋格賓擋墻的作用體系中所占比例較小，因此，加筋格賓擋墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算仍然是以加筋土擋墻結(jié)構(gòu)計(jì)算為主，不計(jì)格賓擋墻的支擋貢獻(xiàn)。

由此，加筋格賓擋墻結(jié)構(gòu)計(jì)算包括擋墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和擋墻外部穩(wěn)定性計(jì)算兩部分內(nèi)容。其中，擋墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算又包括單根筋帶的抗拉計(jì)算和每個(gè)加筋結(jié)構(gòu)塊體的內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算；擋墻外部穩(wěn)定性計(jì)算則是視加筋格賓擋墻為一整體結(jié)構(gòu)，按傳統(tǒng)擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行墻后土壓力計(jì)算、擋墻基底滑移驗(yàn)算、擋墻傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算和基礎(chǔ)底面地基承載力驗(yàn)算。

2.1.1 單根筋帶抗拉強(qiáng)度的確定

加筋格賓第i層筋材所受到的水平拉力Ti等于該層筋材分配的格賓擋墻背部側(cè)向土壓力與筋材間距之積，即

式中：σhi為由填土自重產(chǎn)生的側(cè)向土壓力、墻頂永久荷載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力和車輛荷載及其他可變荷載引起的側(cè)向土壓力組成的格賓墻背土壓力的總和，kPa；Sh、Sv為 筋材的水平、垂直間距，m。

筋材強(qiáng)度條件應(yīng)符合式（2）、式（3）的要求。

式中：Tu為筋材極限抗拉強(qiáng)度，kN/m；Ta為筋材的允許抗拉強(qiáng)度，kN/m；Td為筋材的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，kN/m；FSID、FSCR、FSBC、FS 為施工損傷安全系數(shù) 1.1、材料蠕變折減系數(shù)1.38、材料老化折減系數(shù)1.03、結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)1.3。

2.1.2 墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的計(jì)算

墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的計(jì)算目前較為常見的有兩種方法。

a）方法一 以單根筋帶的抗拔穩(wěn)定性計(jì)算為著手點(diǎn)，通過單根筋帶抗拔力與筋帶水平拉力之間的安全系數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算。

第i層筋材的錨固抗拔力根據(jù)擋墻破裂面意外筋材有效長(zhǎng)度與筋材上下界面處土工摩擦系數(shù)確定。公式見式（4）。

式中：Tpi為筋材錨固抗拔力，kN；σvi為筋材所在位置由墻后填土及墻頂永久荷載產(chǎn)生的垂直壓應(yīng)力，kPa；a為筋材水平間距寬，m；Lei為筋材有效加固長(zhǎng)度，m；f為筋材與填土之間的摩擦系數(shù)，本項(xiàng)目取值0.8。

b）方法二 采用簡(jiǎn)化畢肖普法，通過計(jì)算機(jī)軟件搜索最不利滑面，計(jì)算滑面以上土體整體抗滑力矩與下滑力矩的平衡。

安全系數(shù)為抗滑力矩與下滑力矩間的比值：

加筋單元在截?cái)嗷瑒?dòng)面的區(qū)域內(nèi)可增加坡體的穩(wěn)定性，破裂面穿過筋帶時(shí)，將伸入滑弧后面的筋帶長(zhǎng)度產(chǎn)生的摩阻力、滑弧前面筋帶長(zhǎng)度所產(chǎn)生的摩阻力和筋帶的抗拉強(qiáng)度三者的小值對(duì)滑弧圓心取矩，視為穩(wěn)定力矩。

考慮加筋單元作用的安全系數(shù)如式（6）：

式中：ci、φi為第i條塊滑動(dòng)面處的黏聚力和內(nèi)摩擦角；bi為第i條塊滑動(dòng)面處的弧長(zhǎng)，m；Wi為第i條塊自重及其荷載重，kN；αi為第i條塊滑動(dòng)弧的法線與豎直線的夾角，（°）；Pj為穿過破裂面的第j道筋帶的抗拔力，kN；θj為穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，（°）。

方法二在進(jìn)行內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法時(shí)計(jì)算繁瑣，需采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行。但其計(jì)算精度高，軟件搜索滑面中已將現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的0.3H滑裂面包含在內(nèi)，計(jì)算數(shù)據(jù)更可靠。因此本文計(jì)算以方法二為計(jì)算手段。

2.1.3 擋墻內(nèi)部計(jì)算結(jié)果

擋墻內(nèi)部計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 格賓擋墻計(jì)算結(jié)果圖示

由圖2可知，將擋墻按上、下兩部分分別計(jì)算安全系數(shù)分別為1.663和1.928，滿足規(guī)范要求。

2.2 外部穩(wěn)定性計(jì)算

擋墻外部穩(wěn)定計(jì)算方法時(shí)，視加筋格賓擋墻為一整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算擋墻墻背土壓力后，按傳統(tǒng)擋墻計(jì)算方法進(jìn)行擋墻的基底承載力、抗傾覆、抗滑移計(jì)算，具體計(jì)算方法本文不再贅述，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 格賓擋墻計(jì)算結(jié)果列表

暴雨工況下，土體的內(nèi)摩擦角φ=24°，黏聚力C=8 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.282，大于規(guī)范要求值1.3；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為8.433，大于規(guī)范要求值1.3。由于本項(xiàng)目所處地區(qū)地震動(dòng)峰值為0.15g，地震烈度為7度，因此不考慮地震工況。

由此可見，加筋格賓擋墻抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求值，擋墻地基承載力要求值為191 kPa，小于墻底地基承載力200 kPa。

3 加筋格賓擋墻的施工

基于加筋格賓擋墻的結(jié)構(gòu)受力分析可知，加筋格賓擋墻的核心是加筋土體和格賓墻面，因此加筋格賓擋墻施工時(shí)需重點(diǎn)控制土體加筋和格賓墻面的施工質(zhì)量。

加筋格賓擋墻施工時(shí)，必須保證擋墻中格賓網(wǎng)和加筋筋材的材料質(zhì)量。格賓網(wǎng)必須采用經(jīng)耐磨耐低溫防腐處理的鋼絲網(wǎng)片。為保證格賓網(wǎng)箱在施工過程中不變形，并與墻后土工筋帶連接強(qiáng)度，加筋格賓網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度不得低于50 kN/m，翻邊強(qiáng)度35 kN/m。格賓網(wǎng)內(nèi)填石可采用卵石、片石或塊石，要求石料質(zhì)地堅(jiān)硬，遇水不易崩解、抗風(fēng)化，石料強(qiáng)度等級(jí)MU30以上，密度大于2.5 t/m3，石料填充空隙率不大于30%。加筋格賓面墻填石粒徑以100～300 mm為宜，靠墻面30 cm范圍內(nèi)采取干砌的方式。格賓墻墻背需設(shè)施一層滲水土工布，以防止墻背淤積阻水[2]。

加筋體施工時(shí)，加筋材料必須經(jīng)過相關(guān)檢驗(yàn)部門進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求方可進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)后需遮陽、防水保存，且不宜存放時(shí)間過長(zhǎng)[3]。加筋體范圍內(nèi)填土宜采用砂土，不得采用腐殖土、淤泥等。加筋體鋪設(shè)時(shí)，杜絕對(duì)筋材進(jìn)行壓折。鋪設(shè)完成覆土?xí)r，需松鋪30 cm厚度以后再進(jìn)行碾壓。

4 經(jīng)濟(jì)性比較

若該段擋墻采用M7.5漿砌片石擋墻，墻高按11 m計(jì)算，每延米擋墻圬工量為32.5 m3。按山西省發(fā)布的2018年4期太原市的材料單價(jià)信息并考慮運(yùn)距，每延米工程造價(jià)為393元/m3，M7.5漿砌片石擋墻每延米造價(jià)為12 772.5元。

加筋格賓擋墻每延米片石數(shù)量為8.8 m3，每延米格賓網(wǎng)數(shù)量為44 m2，土工格柵為114 m2，滲水土工布14 m2。

表3 格賓擋墻每延米造價(jià)組成表

由此可見，同樣高度加筋格賓擋墻每延米工程造價(jià)較漿砌片石擋墻節(jié)省7 406.1元，節(jié)約造價(jià)58%。

5 結(jié)語

綜上所述，加筋格賓擋墻為山區(qū)公路建設(shè)過程中遇到的復(fù)雜地形條件下的路基處理提供了一種新型的支擋思路，其在融合普通加筋土擋墻和干砌擋墻優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圬工擋墻的不足，是一種值得推廣和進(jìn)一步研究其力學(xué)行為的支擋結(jié)構(gòu)。