加筋土擋土墻工作原理及造價分析

紀(jì)新偉

【摘要】加筋土擋土墻是由填筑材料、填料中沿水平方向分層布置一定數(shù)量的拉筋帶以及墻面板三部分組成，加筋土擋土墻是一種復(fù)合體結(jié)構(gòu)，由于在填料中埋設(shè)柔韌性好、具有足夠剛度和耐久性的筋帶材料，改良了填料土的力學(xué)特性。因此，加筋土擋土墻與其它形式的擋土墻相比，具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。

【關(guān)鍵詞】加筋土擋土墻原理;工程應(yīng)用;經(jīng)濟效益

1、加筋土擋土墻概述

加筋土擋土墻是一種新型的復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)，它是由擋土墻的墻面板、拉筋材料和填筑土共同組成的。它是通過填筑材料與拉筋材料之間的相互作用，產(chǎn)生摩擦阻力，從而形成了一個復(fù)合的加筋土穩(wěn)定體系，用來抵抗填料土體自重和外部荷載帶來的土壓力。它的作用機理同土釘墻結(jié)構(gòu)比較類似，都是通過土體與就是拉筋材料或土釘材料之間的相互作用產(chǎn)生阻力形成復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)，拉筋材料與土釘材料均不施加預(yù)應(yīng)力，其工作狀態(tài)皆是被動的，其面板結(jié)構(gòu)厚度較薄、受力較小。不同之處主要有，土釘墻結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于挖方地段，由挖方邊坡自上而下進行施工，土釘體傾斜一定的角度。加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于填方地段，填筑材料自下而上分層填筑，加筋條帶一般按分層水平放置。與傳統(tǒng)的重力式擋土墻相比，加筋土擋土墻作為一個柔性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對地基承載力適應(yīng)性遠超過重力式擋墻結(jié)構(gòu)，能更好地滿足抗震需求;同傳統(tǒng)的重力式支檔結(jié)構(gòu)相比，加筋土擋土墻的墻面板結(jié)構(gòu)可提前預(yù)制，安裝時可與填筑材料同步施工，這樣大大縮短了施工工期;加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)造新穎、式樣美觀，擋土墻面板上可以繪制各種圖案，可以根據(jù)周邊環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)的需要，協(xié)調(diào)組合進行配套設(shè)計，與傳統(tǒng)的其他形式的擋土墻相比，加筋土擋土墻更具有藝術(shù)鑒賞力和藝術(shù)感染力;加筋土擋土墻的墻面板與地面垂直，這使得填筑材料在施工過程中不考慮放坡，這就大大減少了占地面積，在土地利用方面具有重要意義;加筋土擋土墻與其他結(jié)構(gòu)形式的擋土墻相比，能節(jié)省大量的圬工數(shù)量，經(jīng)濟效益顯著;因此，加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)無論在施工工藝和經(jīng)濟效益等多方面，與其他結(jié)構(gòu)形式的擋土墻相比，都具有較明顯的優(yōu)勢。被廣泛地應(yīng)用于支擋結(jié)構(gòu)和填土的穩(wěn)定體系當(dāng)中，具體應(yīng)用在支擋結(jié)構(gòu)、護岸、水工碼頭、堤壩、地下結(jié)構(gòu)、路堤、結(jié)構(gòu)物臺墻等;在工程領(lǐng)域中作為一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，加筋土結(jié)構(gòu)在國際上被譽之為“繼鋼筋混凝土之后，又一項造福人類的新發(fā)明”。

2、加筋土擋土墻應(yīng)用的基本原理

砂性土在不做加筋處理的情況下，土體在自身土重和外部荷載力作用下，產(chǎn)生出的土壓力，很容易導(dǎo)致土體產(chǎn)生嚴(yán)重的變形或者坍塌，這是由于砂性土本身的力學(xué)特性決定的。如果我們在砂性土中，沿著土體產(chǎn)生應(yīng)變的方向，分層水平設(shè)置具有一定強度和撓度的拉筋材料，那么由于砂性土與拉筋材料之間相互作用，土體與拉筋材料間就產(chǎn)生了摩擦阻力，使得砂性土在加筋后所形成了一個新的復(fù)合土體，與原來未加筋的原狀土相比較，該復(fù)合土體新產(chǎn)生了某種程度的粘聚性，提高了土體的抗壓強度和抗剪強度，從而使砂性土的力學(xué)性質(zhì)大大改善。這就是加筋土擋土墻應(yīng)用的基本原理。我們把這些基本原理歸納為兩點進行分析解釋：（1）摩擦加筋原理;（2）粘聚力原理。

2.1 摩擦加筋原理

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)中，填筑材料料作為擋土墻結(jié)構(gòu)的主體材料，在自身土重和外部荷載的作用下，產(chǎn)生了作用于擋土墻的墻面板的土壓力，墻面板將此土壓力傳遞給拉筋材料，對拉筋材料產(chǎn)生拉力，企圖將拉筋材料拉出填料土體。但是，由于拉筋材料與填料之間產(chǎn)生的相互作用，填土與拉筋材料之間產(chǎn)生了摩擦阻力，阻止了拉筋材料從填料土體中被拉出。所以，我們選擇了具有足夠的強度和撓度拉筋材料，并且拉筋材料表面有花紋，使拉筋材料表面保持粗糙，拉筋材料與填料土體之間就產(chǎn)生了足夠的摩擦阻力，摩擦阻力克服了填料土體產(chǎn)生的土壓力，則加筋后形成的復(fù)合土體就可以保持穩(wěn)定。

加筋土擋土墻中的拉筋材料常制成帶狀、相互間隔、分層水平地鋪設(shè)在填料土體當(dāng)中。如果填料土體具有足夠的密實度，拉筋材料之間的間距布置得當(dāng)，拉筋材料與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力，就能使拉筋材料之間的土顆粒產(chǎn)生相互作用，從而形成了克服土壓力的承壓拱，使得填料與拉筋材料形成了一個穩(wěn)定的復(fù)合土體。

使加筋土產(chǎn)生成拱效應(yīng)的因素較為復(fù)雜，與拉筋材料的選型、剛度、撓度、布置間距、填料的種類、填料壓實度等因素密切相關(guān)。在拉筋材料的間距布置不當(dāng)、拉筋材料剛度及撓度不足，填料選擇不當(dāng)、填料土的壓實度不足等等不利因素作用下，加筋土就難以形成穩(wěn)定的土拱，土體就會出現(xiàn)坍塌和側(cè)移。加筋土擋土墻端部的填土難于形成土拱，為保證填料土體的穩(wěn)定，我們在加筋土擋土墻的端部設(shè)置直立的墻面板，通過墻面板來約束不穩(wěn)定的土體，并將填料土產(chǎn)生的土壓力傳遞給拉筋材料。從而使加筋土擋土墻形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

由于摩擦加筋原理的概念簡單明了，加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)在支擋結(jié)構(gòu)和填土的穩(wěn)定體系當(dāng)中被廣泛地應(yīng)用。

2.2粘聚力原理

加筋土是一個復(fù)合的支擋結(jié)構(gòu)體系，由于加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)中拉筋材料與填筑材料之間的相互作用，產(chǎn)生出來一種粘聚力，使得加筋后土體的抗壓強度、抗剪強度得到明顯提升。這一點我們可以從試驗中得到驗證。

未做加筋處理的砂性土體，本身的抗壓強度和抗剪強度相對較弱，對未做加筋處理的砂性土體施加在豎向應(yīng)力，在豎向應(yīng)力作用下，土體在豎直方向產(chǎn)生了壓縮變形，在水平方向產(chǎn)生了膨脹變形。隨著豎向應(yīng)力的不斷加大，壓縮變形和膨脹變形也隨之加大，而砂性土體的側(cè)向膨脹變形越大，土體就越容易遭到破壞。為了阻止這種情況的發(fā)生，我們在砂性土體中沿水平方向分層設(shè)置適量的拉筋材料，在同樣的豎向應(yīng)力作用下，其豎直方向的壓縮變形和水平方向膨脹變形顯著減小。這是由于水平拉筋材料與砂性土體之間產(chǎn)生的相互作用，將側(cè)向膨脹變形產(chǎn)生的拉力傳遞給了拉筋材料，使土體側(cè)向膨脹變形受到拉筋材料的約束，使加筋后的復(fù)合土體的強度增加，加筋的砂性土體產(chǎn)生了“粘聚力”，從而改善了加筋后砂性土的力學(xué)性質(zhì)。新的復(fù)合土體中產(chǎn)生的“粘聚力”不是砂性土本身固有的，而是通過加筋處理產(chǎn)生的結(jié)果，所以我們將加筋土的這種原理，稱為“粘聚力原理”?！罢尘哿υ怼蓖澳Σ良咏钤怼币粯樱c拉筋材料的選型、剛度、撓度、布置間距、填料的選擇、填料壓實度等因素密切相關(guān)。

3、加筋土擋土墻的結(jié)構(gòu)

3.1墻面板

加筋土擋土墻的墻面板根據(jù)采用的材料劃分，有金屬面板、混凝土面板和鋼筋混凝土面板;根據(jù)面板的造型劃分，有半圓形、半橢圓形、矩形、六邊形、內(nèi)凹形、L形、十字形等組合式結(jié)構(gòu)。加筋土擋土墻的墻面板可以預(yù)先制作，現(xiàn)場組合安裝，不受施工進度的影響。擋土墻面板必須有足夠的剛度，以防止拉筋間的填料被擠出，確保土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。面板邊緣應(yīng)設(shè)有企口和孔眼。并在孔眼中插入短筋，以方便擋土墻面板預(yù)制塊體的組合安裝。加筋土擋土墻面板每隔一定距離還應(yīng)預(yù)留泄水孔。墻面板在安裝時，向內(nèi)傾斜適當(dāng)?shù)慕嵌?，以抵消填料土壓力產(chǎn)生的變形。

3.2拉筋

加筋土擋土墻是一個復(fù)合型的支擋結(jié)構(gòu)體系，拉筋材料在這個支擋體系中，是整個加筋擋土墻結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的重要保障。因此，加筋擋土墻拉筋條帶，應(yīng)具備足夠的抗拉強度;足夠的柔韌性;拉筋表面要有粗糙的花紋，與填土間應(yīng)保證有足夠的摩擦阻力和粘聚力;為保證結(jié)構(gòu)的使用壽命，擋土墻拉筋材料應(yīng)具備足夠耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗老化性及搞疲勞性;拉筋條帶還應(yīng)價格低廉、便于加工制作。拉筋材料從材質(zhì)上有剛性和柔性之分，主要有金屬鋼帶、鋼筋混凝土拉筋帶、鋼塑復(fù)合拉筋帶材料、竹片材料、聚丙烯土工編織帶材料、土工格柵等。其中鋼塑復(fù)合拉筋帶材料、聚丙烯土工編織帶材料，出于其施工工藝簡便快捷，為土木工程界廣泛選用。對于拉筋材料要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，在加筋土擋土墻拉筋條帶材料進場前后，必須按規(guī)范要求做抗斷裂試驗、搞疲勞性、耐久性等相關(guān)試驗。加筋擋土墻拉筋條帶與擋土墻面板之間的連接，必須完全滿足加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)要求及耐久性要求。

3.3拉筋條與墻面板的連接

擋土墻面板與拉筋材料之間必須有堅固可靠的連接，同時連接部分還必須有與擋土墻拉筋材料相同的耐久性和抗腐蝕性。其連接方式包括焊接和螺栓連接，對于聚丙烯拉筋材料與墻面板的連接，可以采用接頭拉環(huán)，也可以在墻面板上預(yù)留孔洞。埋在填料土中的接頭拉環(huán)要做好防腐處理，一般都以浸透瀝青的玻璃纖維布在接頭拉環(huán)上纏繞兩層進行防腐處理。

3.4填料

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的主體材料是填筑材料，為切實保證拉筋材料與填料之間有可靠的摩擦阻力，必須選用易于填筑和壓實的填筑材料，并且切實保證填筑材料對拉筋材料不具有腐蝕性。同時要隨著拉筋帶的鋪設(shè)，分層壓實填筑材料，切實保證填筑材料的密實度。填筑材料應(yīng)選用級配良好的碎礫石類土及保證最優(yōu)含水量及最大干密度的砂類土。

3.5擋土墻基礎(chǔ)

加筋土擋土墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般為矩形，高為0.25-0.4米，寬0.3-0.5米，采用混凝土灌注或用漿砌片石砌筑。為保證最底層墻面板的安裝和出于對墻面板約束的考慮，可在基礎(chǔ)頂面做一對應(yīng)于墻面板安裝的凹槽?；娱_挖的深度，必須保證基礎(chǔ)頂面在凍結(jié)線和沖刷線以下，且埋置深度不小于0.5米。如遇土質(zhì)斜坡地段，基礎(chǔ)的趾部到斜坡的水平距離，應(yīng)保證墻面板至斜坡邊緣的水平距離不小于1米，從而保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不外露的要求。

3.6沉降縫與伸縮縫

考慮到加筋土擋土墻地基的不均勻沉降，應(yīng)每隔10-20米設(shè)置一道沉降縫，考慮到加筋土擋土墻本身結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)設(shè)置伸縮縫，伸縮縫設(shè)置位置可與沉降縫一同考慮。擋土墻面板在設(shè)縫處應(yīng)采用通縫，寬度2-3厘米，以瀝青麻筋填縫，為保證施工質(zhì)量和美觀，在通縫的兩側(cè)采用對稱布置的半塊墻面板。

3.7帽石與欄桿

出于約束墻面板的考慮，在加筋土擋土墻最上層墻面板的頂部設(shè)置帽石，帽石應(yīng)突出墻面3-5厘米，帽石材料為混凝土或鋼筋混凝土。同時出于保證人身安全的考慮，在加筋土擋土墻上方，同其他形式的擋墻結(jié)構(gòu)一樣設(shè)置欄桿，擋墻欄桿高度為1.5米，欄桿柱底部設(shè)預(yù)埋鋼筋，在灌注帽石混凝土?xí)r，將欄桿柱一同澆注于帽石中，切實保證欄桿的堅固。

4、工程實例分析

本工程為某新建鐵路的T梁預(yù)制場地的建設(shè)工程，該地區(qū)屬山嶺重丘地區(qū)，梁場選址困難，為滿足預(yù)制場面積及防洪需求，移挖作填進行制梁場地建設(shè)。制梁場填方段地面的設(shè)計高程，高于原地面高程近十余米，而梁場的外側(cè)是鄉(xiāng)間道路、農(nóng)田及水塘溝渠，為保證預(yù)制場地填筑后，既有結(jié)構(gòu)物和農(nóng)田不被占壓，需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)計了重力式擋土墻和加筋土擋土墻兩種施工支護方案進行比選，其中重力式擋土墻的支護方案，對于高填方地段設(shè)計局限較大，擋土墻圬工數(shù)量達3029立方，擋墻高度為原地面以上6米，擋墻上方填土仍然需要按1：1.5的坡比放坡，填方放坡需擠占大量的農(nóng)田，相應(yīng)增加梁場臨時用地24畝，并且要增加過水涵洞140米。而加筋擋土墻方案，設(shè)計高度為12米，則無需增加臨時用地數(shù)量和涵洞數(shù)量。經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟比較后，決定采用加筋土擋土墻方案。具體方案如下：

材料特性及設(shè)計參數(shù)

填料：砂性土;

拉筋帶：鋼塑復(fù)合拉筋帶，破斷拉力大于12KN，延伸率小于1%;

墻面板：設(shè)計墻高為12米，使用了1.5m×0.5m的矩形C30鋼筋混凝土墻面板。基本設(shè)計參數(shù)列表如下：

該加筋土擋墻設(shè)計方案實施后，比較原重力式擋墻設(shè)計方案，節(jié)省填料53843立方米，減少臨時用地24畝，減少過水涵洞140米，并縮短預(yù)制場地建設(shè)工期25天。重力式擋土墻與加筋土擋土墻施工成本情況比較如下：

（1）重力式擋土墻施工成本：

C25混凝土3029立方，單價550元/立方，計1665950元;

1-φ1.5m圓涵140橫延米，單價2200元/橫延米，計308000元;

增加臨時用地24畝，單價20000元/畝，計480000元;

增加填方數(shù)量53843立方，單價15元/立方，計807645元;

沉降縫、帽石，計63500元

以上合計：3325095元。

（2）加筋土擋土墻的施工成本：

C25混凝土基礎(chǔ)327立方，單價550元/立方，計179850元;

C30鋼筋砼墻面板558立方，單價1380元/立方，計770040元;

鋼塑復(fù)合拉筋帶36噸單價13000元/噸，計468000元;

沉降縫、帽石、欄桿， 計165500元

以上合計：1583390元。

經(jīng)方案比較：加筋土擋土墻設(shè)計方案，與重力式擋土墻設(shè)計方案相比，節(jié)約施工成本1741705元，并縮短梁場建設(shè)工期25天。由此可見加筋土擋土墻的設(shè)計方案，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，值得廣泛的推廣應(yīng)用。

結(jié)語：

加筋土擋土墻是近年來應(yīng)用和推廣的新型支擋結(jié)構(gòu)，其造型美觀，節(jié)約用地，施工簡便快速，與其他形式的擋土結(jié)構(gòu)相比，能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益，這對加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的研究和實踐具有重大意義。加筋土擋土墻作為一個新的結(jié)構(gòu)形式，雖然發(fā)展迅速，但目前仍停留在有關(guān)的規(guī)范（規(guī)程）的建立和健全階段，理論滯后于實踐。近些年來，隨著高速鐵路工程等工程建設(shè)的不斷發(fā)展，如列車提速、列車軸重的增加等因素對路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較以前有了較大的提高，對于加筋土擋土墻的理論研究將進一步深入，使其發(fā)揮更多的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：

[1]何春光.加筋土工程設(shè)計與施工.北京：人民交通出版社，2000年4月.

[2]李海光等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例.北京：人民交通出版社.2004.02.