加筋土擋土墻在某海外工程中的應(yīng)用

劉萬超

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司， 甘肅 金昌 737100)

0 前言

某工業(yè)項(xiàng)目位于印度尼西亞的一個海島上，廠區(qū)擬建場地從低到高分為海成一級階地及侵蝕剝蝕地貌丘陵兩個地貌單元，場地自然高程為109.2～3.4 m之間，相對高差達(dá)105.8 m。根據(jù)總圖豎向布置，場地需經(jīng)大量填方壓實(shí)整平后形成66 m、86 m及100 m三個平臺，冶煉廠區(qū)主要建、構(gòu)筑物根據(jù)工藝流程配置于這三個平臺之上。為有效投資控制，臺階之間所形成的20 m及14 m高邊坡必須設(shè)置坡度較大的擋土墻以充分利用場地、減少土方量。因此，在工程建設(shè)前期，擋土墻的合理設(shè)計(jì)成為確保項(xiàng)目順利推進(jìn)的一項(xiàng)重要工作。

1 擋土墻方案的選擇和確定

一般而言，確定擋土墻方案時(shí)，必須綜合考慮工程地質(zhì)、水文條件、地形條件、環(huán)境條件、使用荷載、工程規(guī)模、施工條件和工程造價(jià)等諸多因素。本工程為海外建設(shè)項(xiàng)目，對工程投資及工期較敏感。建設(shè)地處于海島，場地地質(zhì)情況復(fù)雜、地基承載力較低，且本島缺乏砂子、水泥、鋼筋等基本建材，僅能提供數(shù)量有限的中等強(qiáng)度石料，多降水，人工成本較高。由于加筋土擋墻結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價(jià)相對較低、對地基適應(yīng)性較強(qiáng)，且適于在填方區(qū)采用，經(jīng)綜合分析，確定本項(xiàng)目中的擋土墻采用加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)方案。

加筋土擋土墻是由立板(擋板、面板)、筋材和填料(土、碎石土等)組成，借助于土與筋材所產(chǎn)生的摩擦作用，使加筋土具有某種程度的粘著性[1]，從而改良土的力學(xué)特性，使立板、筋材及填料形成一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、且具有柔性特點(diǎn)的支擋結(jié)構(gòu)。立板一般有預(yù)制或現(xiàn)澆鋼筋混凝土板、土工石籠面板、土工沙袋面板及回折包裹面板等；筋材主要有土工合成材料或金屬材料等。

2 加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)

加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)一般包括加筋土體的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算、外部穩(wěn)定性計(jì)算及整體穩(wěn)定性計(jì)算。內(nèi)部穩(wěn)定性是指由于筋材被拉斷或筋土間摩擦力不足致使加筋土結(jié)構(gòu)破壞；外部穩(wěn)定性是指由于加筋土外部失穩(wěn)而引起的加筋土結(jié)構(gòu)破壞，包括地基承載力、基底抗滑、抗傾覆驗(yàn)算；整體穩(wěn)定性是指加筋土體全墻沿滑動面產(chǎn)生整體滑動破壞。

2.1 加筋土擋土墻的結(jié)構(gòu)材料

以本工程中66.0～86.0 m平臺間20 m高加筋土擋土墻設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，擋土墻斷面圖如圖1所示。面板采用由機(jī)器編織的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)面組合而成的加筋格賓(鋼絲直徑2.7 mm，表面覆塑0.5 mm)，系柔性面板結(jié)構(gòu)。面墻格賓箱部分填充石料，加筋部分以結(jié)構(gòu)填土分層壓實(shí)。擋土墻筋材采用聚酯長纖無紡布及格賓網(wǎng)箱加筋。由于此擋土墻高度較大，在半高處設(shè)置了2.0 m寬錯臺，以增強(qiáng)擋墻的整體穩(wěn)定性。

圖1 20 m高加筋土擋土墻斷面圖(單位：m)

2.2 內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算一般包括單根筋材的抗拉計(jì)算和在考慮筋材作用條件下對每個加筋結(jié)構(gòu)塊體的內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算兩方面的內(nèi)容。

2.2.1 筋材抗拉強(qiáng)度的確定

加筋格賓第i層筋材所受到的水平拉力Ti等于該層筋材受到的水平土壓應(yīng)力(包含加筋土填料作用于深度zi處的水平土壓應(yīng)力、車輛或人群附加荷載作用于深度zi處的水平土壓應(yīng)力、加筋體頂面以上填土重力換算均布土厚所引起的深度zi處的水平土壓應(yīng)力)與筋材間距之積，即：

(1)

式中：Ti——加筋格賓第i層筋材所受到的水平拉力，kN；

r1——加筋土填料的重度，kN/m3；

zi——深度，m；

∑Δσv——超載擴(kuò)散至zi深度處的垂直附加應(yīng)力，荷載擴(kuò)散線的斜率為2∶1(豎直∶水平)，擴(kuò)散線與墻背交點(diǎn)以下部分須考慮土壓力作用，kPa；

r2——加筋體頂面以上填土的重度，kN/m3；

h——加筋體頂面以上填土換算等代均布土厚度，m；

Ka(int )——土壓力側(cè)壓系數(shù)；

Sv——筋材的垂直間距，m。

對于筋材的強(qiáng)度條件，應(yīng)符合式(2)要求：

Timax≤Ta

(2)

式中：Timax——各分布層筋材中的水平拉力最大值，kN/m；

Ta——筋材的容許抗拉強(qiáng)度值，kN/m。

2.2.2 內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算通常采用簡化Bishop法(圓弧滑動面法)，分析計(jì)算包括有朗肯破裂面及0.3H折線破裂面的各個最不利的滑動面?？紤]加筋單元作用的安全系數(shù)[2-3]見式(3)：

(3)

式中：ci——第i條塊滑動面處的粘聚力，kP；

bi——第i條塊滑動面處的弧長，m；

Wi——i條塊自重及其荷載重，kN；

αi——第i條塊滑動弧的法線與豎直線的夾角，(°)；

φi——第i條塊滑動面處的內(nèi)摩擦角，(°)；

Pj——穿過破裂面的第j道筋帶的抗拔力，kN；

θj——穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，(°)。

2.2.3 不同工況塊體內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算的安全系數(shù)

本工程20 m高加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體穩(wěn)定性計(jì)算條塊劃分及計(jì)算如圖2所示。規(guī)范[4]容許穩(wěn)定系數(shù)要求，正常工況下≥1.30，地震工況下≥1.10。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，正常工況下及地震工況下塊體1～4內(nèi)部穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值均大于規(guī)范[4]容許穩(wěn)定系數(shù)最小限值，滿足要求。

圖2 條塊劃分及內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算示意圖

2.3 外部穩(wěn)定性計(jì)算

2.3.1 土壓力計(jì)算

根據(jù)加筋土擋墻后填土的不同邊界條件，采用庫倫理論計(jì)算作用于筋體的主動土壓力。

2.3.2 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋墻基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)FSsl計(jì)算公式如下：

(4)

式中：∑N——豎向作用力之和，kN；

∑T——水平作用力之和，kN；

μ——基底摩擦系數(shù)，即μ=tanφf，φf為地基土的內(nèi)摩擦角與擋墻結(jié)構(gòu)填土綜合內(nèi)摩擦角兩者中的較小值。

2.3.3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)FSot計(jì)算公式如下：

(5)

式中：∑My——墻體穩(wěn)定作用力系對于加筋體墻趾的合力矩，kN·m；

∑Mo——墻體傾覆作用力系對于加筋體墻趾的合力矩，kN·m。

2.3.4 地基承載力驗(yàn)算

對于加筋土擋土墻而言，其基底壓力一般呈非線性分布，即在筋材末端壓力較大，在面墻一側(cè)壓力相對較小，而加筋體后由水平土壓力所產(chǎn)生的力矩作用并不顯著。針對加筋土擋土墻的這一受力特點(diǎn)，計(jì)算中通常采用梅耶霍夫理論計(jì)算等效基底壓力σv，即在考慮加筋體后結(jié)構(gòu)填土壓力所產(chǎn)生的影響時(shí)，可將筋材長度B-2e(e為豎向作用力合力的偏心距)用以代替筋材長度B，假定其在B-2e的長度范圍內(nèi)豎向應(yīng)力呈均勻分布，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

本工程中，擋土墻基礎(chǔ)持力層選擇中風(fēng)化巖層，地基承載力特征值為330 kPa。經(jīng)計(jì)算，正常工況及地震工況下塊體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.310、3.234，滿足規(guī)范[4](抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.30；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.50)容許的最小限值要求。擋墻基底最大壓應(yīng)力為318 kPa，地基承載力可滿足計(jì)算要求。

2.4 整體穩(wěn)定性計(jì)算

為得到加筋土擋土墻加筋體隨地基整體滑動時(shí)潛在破裂面的安全系數(shù)，需進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，采用簡化Bishop法(圓弧滑動面法)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，對于埋置于土體中筋材效果的考慮，一般包括不考慮筋材作用和考慮筋材作用兩種方法。

2.4.1 不考慮筋材作用

筋材長度不超過可能的滑動面，可按普遍的圓弧滑動面法進(jìn)行計(jì)算，即不考慮筋材作用。當(dāng)潛在破裂面穿過筋材時(shí)，因有筋材的存在，加筋體中產(chǎn)生似內(nèi)聚力，計(jì)算時(shí)可將似內(nèi)聚力產(chǎn)生的力矩計(jì)入總抗滑力矩值中。似內(nèi)聚力計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Cr——加筋體中的似內(nèi)聚力，kPa；

σs——加筋體中筋帶的應(yīng)力，kPa；

As——加筋體中筋帶的面積，mm2；

Kp——加筋體的被動土壓力系數(shù)；

Sx——筋帶水平方向的計(jì)算間距，m；

Sy——筋帶垂直方向的計(jì)算間距，m。

2.4.2 考慮筋材作用

當(dāng)潛在破裂面穿過筋材時(shí)，可將筋材抗拉強(qiáng)度和伸入滑弧后部分筋材長度所產(chǎn)生的摩阻力進(jìn)行比較，用兩值之間的較小者對滑弧圓心進(jìn)行取矩，作為擋墻的穩(wěn)定力矩。計(jì)算時(shí)一般可假定筋材作用力沿其長度方向，計(jì)算方法同上文內(nèi)部整體穩(wěn)定性驗(yàn)算中考慮加筋單元作用的安全系數(shù)計(jì)算方法。

本項(xiàng)目中，擋墻正常工況下穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值為1.405>1.30，地震工況下為1.249>1.10，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范[4]的最小限值要求要求。

2.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

加筋土擋土墻采用柔性面板時(shí)不需要設(shè)置基礎(chǔ)，當(dāng)采用其它類型面板時(shí)均需設(shè)置基礎(chǔ)。加筋土擋墻基礎(chǔ)通常只設(shè)置于面板之下，采用混凝土或漿砌毛石條形基礎(chǔ)。對于巖石質(zhì)地基或具有足夠承載力的土質(zhì)地基，寬度一般應(yīng)使面板每側(cè)不小于0.25 m；承載能力較低的軟土質(zhì)地基，基礎(chǔ)寬度通過計(jì)算確定，基礎(chǔ)厚度一般為0.3～0.5 m左右；當(dāng)?shù)鼗鶠樾迈r完整的巖石時(shí)，可不設(shè)置基礎(chǔ)。土質(zhì)類地基應(yīng)按要求進(jìn)行夯實(shí)處理，一般巖石地基則應(yīng)清除面層風(fēng)化層，基礎(chǔ)埋置深度不應(yīng)小于0.6 m，且基礎(chǔ)頂面距地面不應(yīng)小于0.3 m。本項(xiàng)目中擋土墻坐落于中風(fēng)化巖層上，面板下未設(shè)置基礎(chǔ)。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

本工程的構(gòu)造設(shè)計(jì)如下：

1)加筋體填料應(yīng)有較好的級配，結(jié)構(gòu)填土厚度一般為250～300 mm，壓實(shí)后厚度為200～250 mm。其壓實(shí)度一般情況均不小于0.90；對于重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)不小于0.95。特殊干旱或特殊潮濕地區(qū)，可根據(jù)成熟經(jīng)驗(yàn)，壓實(shí)度適當(dāng)降低0.02～0.03。

2)當(dāng)加筋土擋土墻坐落于軟弱地基上，地基承載力無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的地基處理以滿足計(jì)算要求[5]。

3)應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)、墻高等因素，合理設(shè)計(jì)沉降縫、伸縮縫，以使加筋土擋土墻正常工作。對土質(zhì)地基而言，設(shè)縫間距一般可取10～30 m；巖石地基時(shí)，可適當(dāng)增大設(shè)縫間距。一般沉降縫、伸縮縫縫寬取10～20 mm，嵌縫材料可選用瀝青麻絲、軟木板或?yàn)r青木板等柔性材料。

4)加筋土擋土墻高度大于12 m時(shí)，應(yīng)慎重選擇填料，并應(yīng)在墻高中部設(shè)置寬度不小于1 m、有可靠排水防護(hù)措施的錯臺；墻高大于20 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

5)加筋土擋墻端部可采用護(hù)坡、錐坡、護(hù)墻等構(gòu)造措施或直接與相鄰的構(gòu)筑物銜接。

4 結(jié)論

因技術(shù)特點(diǎn)鮮明，加筋土擋土墻已廣泛用于建筑支擋、公路交通、岸坡防護(hù)等領(lǐng)域，并已發(fā)展出了節(jié)能環(huán)保、有利于植被恢復(fù)的生態(tài)加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用前景。但鑒于其受力結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)特別注意以下方面：

1)在超高加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)施工領(lǐng)域還存在一些不確定性，在此類工程中應(yīng)慎重采用，合理選用面板型式、拉筋類型和布筋方式，準(zhǔn)確計(jì)算。

2)加筋土擋墻坡度一般較陡，因此對填料的要求較高，設(shè)計(jì)施工過程中應(yīng)充分重視填料的選擇，不宜直接采用細(xì)顆粒土填料，并嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)填土的質(zhì)量。

3)擋墻面板后必須留有足夠的空間，以獲得足夠的穩(wěn)定區(qū)域來保證擋墻的內(nèi)部和外部穩(wěn)定，確保擋墻結(jié)構(gòu)安全。

4)為加快工程施工進(jìn)度，條件允許時(shí)，應(yīng)盡可能采用預(yù)制鋼筋混凝土面板等，盡量減少土石籠等柔性面板結(jié)構(gòu)形式。