加筋擋土墻在上浦高速公路中的應(yīng)用及相關(guān)問(wèn)題探討

唐韜

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖北 武漢 430060)

加筋擋土墻作為一種常見(jiàn)防護(hù)形式，以其整體性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于各項(xiàng)工程中。隨著工程難度的逐漸增加，許多復(fù)雜地區(qū)的擋土墻高度增大，采用普通直立式擋土墻難以滿足強(qiáng)度及變形要求。而現(xiàn)有規(guī)范主要針對(duì)單級(jí)直立式擋土墻，對(duì)多級(jí)臺(tái)階式擋土墻缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。該文以上浦(上饒—浦城)高速公路某段采用加筋擋土墻的高填方段落為例，對(duì)加筋擋土墻在高速公路中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并提出擋土墻設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

1 工程概況

上浦高速公路新建工程地處江西省境內(nèi)，全長(zhǎng)50.853 km。其中K12—K13段屬于高填方路段，受所處位置地形限制，采用普通路肩墻難以承擔(dān)土體的側(cè)向壓力且擋土墻高度達(dá)20 m，而采用加筋擋土墻能充分發(fā)揮其整體性和穩(wěn)定性好且受力均勻的特點(diǎn)，故設(shè)計(jì)采用加筋擋土墻。

2 加筋擋土墻設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用高密度聚乙烯(HDPE)單向土工格柵，根據(jù)蠕變強(qiáng)度不同分為A、B、C 3種類型，其設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土工格柵的設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 加筋擋土墻工藝流程

加筋擋土墻關(guān)鍵工藝流程主要有坡面設(shè)置、加筋體填筑、加筋體墻背側(cè)填筑及排水處理。

(1)坡面設(shè)置。土工格柵加筋路堤邊坡按照1∶0.50設(shè)置，每級(jí)平臺(tái)寬度為2 m。在路堤施工中，每填筑0.5 m在受力方向布置一層土工格柵。每層土工格柵均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包邊，與上層土工格柵搭接不小于2.0 m。邊坡邊部每一層土工格柵內(nèi)均反包2個(gè)混有種植土的編織袋，在最外側(cè)的編織袋內(nèi)加入草籽。

(2) 加筋體填筑。筋體填筑前做好基底處理，先清除格柵范圍內(nèi)地表粉質(zhì)黏土覆蓋層，地表橫坡陡于1∶5時(shí)挖成反向臺(tái)階。加筋擋土墻采用較密實(shí)的填料(開(kāi)山石渣)分層填筑，每層厚度不超過(guò)0.5 m。填料需級(jí)配良好，不均勻系數(shù)≥5，曲率系數(shù)=1～3。填料干容重不小于20 kN/m3，最大粒徑不超過(guò)30 cm，其中大于20 cm的填料含量不超過(guò)20%。經(jīng)碾密壓實(shí)后，填料孔隙率不大于20%或下部壓實(shí)度不小于93%，上部1.5 m范圍內(nèi)壓實(shí)度至少達(dá)到95%。填筑完成時(shí)的整體滲透系數(shù)不小于1×10-2cm/s。

(3) 加筋體墻背側(cè)填筑。加筋擋土墻墻背側(cè)1倍墻高范圍內(nèi)填料分層壓實(shí)，分層厚度與加筋體一致，要求下部壓實(shí)度不小于93%、上部1.5 m范圍內(nèi)壓實(shí)度至少達(dá)到95%或孔隙率不大于20%。

(4) 加筋體防排水。設(shè)計(jì)中于每級(jí)平臺(tái)及護(hù)腳處設(shè)置φ10 cm泄水孔，間距2 m，避免開(kāi)山石填料受地下水浸泡而導(dǎo)致強(qiáng)度變低。

2.2 設(shè)計(jì)原則

加筋擋土墻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則分別為極限平衡法、極限狀態(tài)法及數(shù)值模擬法。極限狀態(tài)法由于忽略了結(jié)構(gòu)的整體變形，而直接采用材料的最大強(qiáng)度為依據(jù)，給出結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的安全系數(shù)，與實(shí)際不符，擋土墻設(shè)計(jì)中較少采用。相較于極限狀態(tài)法，數(shù)值模擬法可準(zhǔn)確計(jì)算土體與筋材各點(diǎn)的應(yīng)力，且能模擬土體隨時(shí)間的變化及施工過(guò)程中的堆載。但數(shù)值模擬法需明確土體與加筋材料間的本構(gòu)關(guān)系，故只在局部復(fù)雜變形體中采用。極限平衡法是目前使用最廣泛的方法，設(shè)計(jì)中主要考慮強(qiáng)度方面的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)單。該項(xiàng)目加筋擋土墻設(shè)計(jì)采用極限平衡法。

2.3 加筋擋土墻計(jì)算

以26 m加筋擋土墻為例進(jìn)行研究。加筋擋土墻的穩(wěn)定性分析采用理正軟件，在加筋體外部、內(nèi)部及深層進(jìn)行圓弧穩(wěn)定分析。土工格柵加筋路堤邊坡坡率為1∶0.50，每級(jí)平臺(tái)設(shè)置寬2 m平臺(tái)。路堤施工中，每填筑50 cm沿受力方向設(shè)置一層單向拉伸土工格柵，至上而下全部設(shè)置。格柵間距50 cm，采用開(kāi)山石渣回填。每層土工格柵均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包邊，與上層土工格柵搭接不小于2.0 m。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 26 m加筋擋土墻斷面示意圖(單位：cm)

2.3.1 基本假定

(1) 路基填料產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力主要由墻面板內(nèi)填料承擔(dān)，并由面板上連接鋼筋的抗拔力來(lái)平衡。

(2) 摩擦系數(shù)在整個(gè)擋土墻范圍內(nèi)均相等。

(3) 土體破裂面是加筋擋土墻錨固區(qū)與非錨固區(qū)的分界面，根據(jù)土工規(guī)范，破裂面常按0.3H折線法確定。

2.3.2 計(jì)算參數(shù)

(1) 加筋土路肩墻墻高H=26 m，分段長(zhǎng)度為10 m。加筋體上填土重力換算為等代均布土層厚度h1=0.6 m。

(2) 墻背主動(dòng)土壓力按照庫(kù)倫理論計(jì)算，其中墻后填料綜合內(nèi)摩擦角按35°設(shè)計(jì)，填料重度19 kN/m3。

(3) 車(chē)輛荷載。墻高大于10 m，車(chē)輛荷載附加強(qiáng)度為10 kN/m2。

(4) 采用HDPE土工格柵，A、B、C型格柵強(qiáng)度分別為25、40、60 kN/m。

(5) 土與筋帶之間的視摩擦系數(shù)f′=0.4，加筋體與地基之間的摩擦系數(shù)f=0.4。

2.3.3 內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算

(1) 根據(jù)JTJ 015-91《公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，各層加筋體所受拉力為：

Ti=Ki(γizi+γih)SxSy

(1)

式中：Ki為深度zi處主動(dòng)土壓力系數(shù)；γi為填料重度；Sx、Sy分別為筋帶節(jié)點(diǎn)的水平與豎向間距。

(2) 破裂面上下兩部分高度H1、H2的計(jì)算公式為：

H2=0.3Htg(45+θ/2)

(2)

H1=H-H2

(3)

式中：θ為填料綜合內(nèi)摩擦角。

(3) 筋帶長(zhǎng)度計(jì)算分為錨固區(qū)L1和活動(dòng)區(qū)L2兩部分，計(jì)算公式見(jiàn)式(4)、式(5)。各層筋帶長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

(4)

(5)

(4) 抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算。根據(jù)規(guī)范，鋼筋的抗拔力由錨固區(qū)長(zhǎng)度L1與土體間摩擦力提供，以Tpi表示第i層鋼筋的抗拔力，計(jì)算公式見(jiàn)式(6)?？拱畏€(wěn)定安全系數(shù)為鋼筋抗拔力Tpi與加筋體所受拉力Ti的比值，根據(jù)規(guī)范，其最小值為1.5。依次計(jì)算各層鋼筋的抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)，均大于1.5，抗拔穩(wěn)定性滿足要求。

Tpi=2σviL1Bf

(6)

式中：σvi為鋼筋所受土體自重壓力；B為鋼筋寬度。

2.3.4 外部穩(wěn)定性計(jì)算

加筋擋土墻內(nèi)部筋材與填土之間因黏結(jié)作用而形成一個(gè)整體，其外部穩(wěn)定性計(jì)算與普通擋土墻基本相同。

(1) 滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算。加筋擋土墻的水平抗滑移能力應(yīng)大于其承受的水平力，即：

(7)

式中：Sd為水平力效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為設(shè)計(jì)抗滑力；Kc為安全系數(shù)計(jì)算值；μ為基底摩擦系數(shù)；∑N為豎向合力；∑T為水平合力；[Kc]為安全系數(shù)規(guī)范值。

(2) 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。抗傾覆穩(wěn)定性是指擋土墻抵抗土體壓力，防止自身繞墻趾產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的能力。驗(yàn)算公式如下：

(8)

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；∑MR為穩(wěn)定力矩；∑M0為傾覆力矩；[K0]為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)規(guī)范值，其取決于荷載組合。

(3) 地基承載能力驗(yàn)算。由于加筋擋土墻所受力為偏心荷載，按照梯形分布計(jì)算基底壓力，計(jì)算公式見(jiàn)式(9)。若σmin計(jì)算值為負(fù)，即e>L/6時(shí)，基底壓力發(fā)生重新分布[見(jiàn)式(10)]。要求最終計(jì)算所得σmax、σmin≤[σ0]([σ0]為容許承載力)。

(9)

(10)

(4) 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。整體穩(wěn)定性計(jì)算采用圓弧法，計(jì)算所得加筋擋土墻最不利滑動(dòng)面見(jiàn)圖2。

圖2 加筋擋土墻的最不利滑動(dòng)面

3 加筋擋土墻設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題

3.1 多級(jí)加筋擋土墻設(shè)計(jì)

擋土墻高度較大時(shí)，單級(jí)加筋擋土墻難以滿足承載力及變形要求，同時(shí)按照規(guī)范要求，擋土墻高度大于12 m時(shí)需設(shè)置至少1 m的錯(cuò)臺(tái)以形成臺(tái)階式擋土墻。美國(guó)FHWA(聯(lián)邦公路局)對(duì)多級(jí)加筋擋土墻設(shè)計(jì)的規(guī)定如下：(H1+H2)/20≤D≤H2×tan(90-φ)(H1、H2分別為上下兩級(jí)擋土墻高度；D為錯(cuò)臺(tái)寬度)時(shí)，需考慮上級(jí)擋土墻對(duì)下級(jí)擋土墻的作用。對(duì)于該作用，美國(guó)NCMA(砼砌體局)將其考慮為上層均布荷載，國(guó)內(nèi)目前普遍采用的彈性理論計(jì)算方法亦是如此。但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用該假設(shè)方法計(jì)算所得下級(jí)擋土墻所受土壓力與實(shí)測(cè)值存在差異，并提出了下級(jí)擋土墻在受上級(jí)荷載作用時(shí)附加應(yīng)力及墻背土壓力的計(jì)算方法。可見(jiàn)，針對(duì)多級(jí)加筋擋土墻，國(guó)內(nèi)外均有了較明確的理論計(jì)算方法，但對(duì)多級(jí)擋土墻如何選取每級(jí)墻體的高度及相鄰錯(cuò)臺(tái)寬度仍未明確。

3.2 加筋擋土墻破裂面的形狀

加筋擋土墻筋帶長(zhǎng)度計(jì)算中需對(duì)破裂帶上下兩部分的高度進(jìn)行劃分。對(duì)于加筋擋土墻中潛在破裂面的形狀，GB 50290-2012《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定使用土工布等模量較低的土工材料時(shí)，加筋擋土墻內(nèi)部破裂面按朗肯破裂面考慮；采用較高強(qiáng)度土工格柵等材料時(shí)，其內(nèi)部破裂面為0.3H折線形。0.3H法主要適用于直立式擋土墻，而未考慮多級(jí)加筋擋土墻平臺(tái)的設(shè)置。根據(jù)極限平衡理論，擋土墻墻背側(cè)土體分為主動(dòng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)及穩(wěn)定區(qū)3個(gè)區(qū)域，實(shí)際計(jì)算中應(yīng)根據(jù)錯(cuò)臺(tái)寬度與3個(gè)區(qū)域的關(guān)系分別討論。同時(shí)，實(shí)際工程中土工加筋材料的應(yīng)變量通常不足1%，0.3H法的合理性有待探討。

3.3 土工加筋材料

目前加筋擋土墻主要采用的土工材料包括土工網(wǎng)、土工布、塑料土工格柵、鋼塑土工格柵等。在擋土墻內(nèi)部，加筋材料與土體及擋土墻面板之間均存在作用力。加筋材料的內(nèi)力不僅取決于土體強(qiáng)度與剛度、面板剛度這些相對(duì)恒定的指標(biāo)，還受自身剛度的影響。由于加筋材料的蠕變特性，在荷載作用下其自身剛度將發(fā)生變化，采用規(guī)范公式中恒定材料剛度計(jì)算土工材料受力情況是否合理仍有待研究。不僅如此，目前土工材料的內(nèi)力計(jì)算均假設(shè)內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在潛在破裂面附近，但有學(xué)者指出，由于填土與面板剛度相差較大，兩者之間產(chǎn)生的差異性沉降將使筋材與面板連接處產(chǎn)生一個(gè)連接力，當(dāng)擋土墻高度較大時(shí)，該連接力甚至大于筋材與面板連接處的拉力。目前尚無(wú)關(guān)于該連接力的理論分析，規(guī)范中亦缺少這部分內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

多級(jí)加筋擋土墻計(jì)算包括外部穩(wěn)定性計(jì)算及內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算兩部分，其中外部穩(wěn)定性計(jì)算與普通加筋擋土墻無(wú)異，而內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算主要在于筋材長(zhǎng)度與強(qiáng)度的計(jì)算。針對(duì)現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于土工加筋擋土墻設(shè)計(jì)及計(jì)算的不足，提出以下問(wèn)題：

(1) 現(xiàn)有土工規(guī)范主要針對(duì)單級(jí)直立式擋土墻，對(duì)于多級(jí)擋土墻錯(cuò)臺(tái)寬度的設(shè)置及如何分級(jí)，規(guī)范仍有待完善。

(2) 現(xiàn)有規(guī)范針對(duì)破裂面形狀的0.3H法沒(méi)有考慮錯(cuò)臺(tái)寬度的影響，實(shí)際計(jì)算中應(yīng)結(jié)合極限平衡理論，根據(jù)錯(cuò)臺(tái)寬度與主動(dòng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)及穩(wěn)定區(qū)的關(guān)系分別討論。

(3) 計(jì)算土工加筋材料內(nèi)力時(shí)，現(xiàn)有理論及規(guī)范缺少對(duì)加筋材料蠕變特性的考慮且忽略了填土與面板間差異性沉降的影響。