凱里市工業(yè)區(qū)城市主干道格賓加筋擋墻研究

范厚貴

(中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

K6+570～K6+750加筋格賓擋墻工點，原設計為舞溪寺大橋，行走于舞陽河左岸階地上。原設計橋在墩、承臺施工過程中發(fā)現(xiàn)地質情況復雜多變，樁基在成孔過程中出現(xiàn)坍塌、漏漿等情況。澆筑混凝土過程中出現(xiàn)漏混凝土及串孔想象，在此情況下無法保證橋樁基的施工質量。經(jīng)詳細勘察發(fā)現(xiàn)橋位地質為巖溶強烈發(fā)育地區(qū)，存在孤立石牙、溶洞等情況。巖溶形態(tài)為小型、豎向、多層，無大型空洞。

K6+577.5～K6+590：覆蓋層為紅粘土，厚度變化較大，層厚在1.10～21.10 m之間。力學指標：容許承載力[fa0]=180 kPa，Es=7.0 MPa，γ=17.5 kN/m3；K6+590～K6+724.5：覆蓋層為粉質粘土及圓礫夾卵石，厚度變化較大，層厚在3.00～28.00 m之間，力學指標，粉質粘土， 容許承載力[fa0]=120.00 kPa，Es=4.5 MPa，γ=17.0 kN/m3；圓礫夾卵石，容許承載力[fa0]=200 kPa，Es=6.0 MPa，γ=19.0 kN/m3。下伏基巖為中風化石灰?guī)r，溶蝕溝槽及傾斜巖面和巖溶洞隙較為發(fā)育，擬建場地為巖溶強發(fā)育，巖石地基容許承載力[fa0]=2800 kPa。

圖1 場地地貌Fig.1 Landform of the construction site

2 方案比選

(1)放坡填土方案，中心填高最大14.7 m，路堤邊坡最大高度16.8 m。K6+710右側有一泵房，由于泵房遷改重建周期較長，不能滿足工期要求。

(2)混凝土圬工擋墻方案，兩側采用樁基托梁衡重式路肩擋土墻，最大墻高15 m，樁長14～18 m。由于基底存在溶洞，同樣需要注漿處理，無法保證樁基的施工質量，且工期較長，造價較高。

(3)加筋格賓擋墻方案，K6+577.3～K6+643.3左側設格賓加筋擋墻，K6+576.5～K6+614.5右側、K6+696.3～K6+750.3左側、K6+699～K6+736.6右側設格賓加筋路肩擋墻。最大墻高16 m。格賓加筋擋墻的優(yōu)勢有：加筋擋墻具有一定柔韌性，能夠適應地基輕微變形，且抗振性強；格賓石籠作為加筋擋格賓，其孔隙較大，透水性好，具抗沖刷性，對地基承載力要求相對較低、適應性強、整體性好、抗震性能高，施工簡便、快速、節(jié)省勞力和縮短工期，工程造價較低。

經(jīng)與放坡填筑、樁基托梁衡重式路肩擋土墻、格賓加筋擋墻的經(jīng)濟、技術比較，采用格賓加筋土擋墻，如圖2。

圖2 加筋格賓擋墻支護代表性斷面Fig.2 A typical section of the gabion reinforced retaining wall

3 格賓加筋擋墻工作原理

3.1 結構形式

加筋格賓擋墻是由高強土工格柵與格賓組成。格賓為低碳鋼絲經(jīng)編而成的雙絞合六邊形金屬格賓網(wǎng)箱，鋼絲鍍鋅或鍍高爾凡并覆塑。其面墻為格賓網(wǎng)箱，土工格柵為高強土工格柵，面墻網(wǎng)箱與土工格柵現(xiàn)場絞合平裝，加筋格賓單元的一般規(guī)格長寬高分別為2～4m×1m×0.5～1m，在工點現(xiàn)場直接充填片石或者卵石構成面墻。高強土工格柵加筋體水平鋪設于格賓單元后形成加筋填筑體，如圖3。

圖3 加筋格賓擋墻結構示意圖Fig.3 Structure of the gabion reinforced retaining wall

3.2 工作原理

基本原理：面墻以格賓石籠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土預制面板，增強透水性和抗變形能力。面墻后方在結構體填料中沿滑動方向設置具有一定變形能力的高強土工格柵，填料與高強土工格柵摩擦作用，使加筋土如同具有粘聚性，從而土的物理力學指標得到提高。

加筋土強度的兩種觀點：

(1)摩擦原理：土工格柵與填土視為一體，假想為相互作用的結構體。結構承受外力和填土自身重力形成的土壓力作用于格賓石籠上，格賓石籠與土工格柵穩(wěn)固連接，通過結構自身內(nèi)部作用，土壓力傳遞給土工格柵，而土工格柵又被填土壓住，填土與土工格柵之間的摩擦力防止土工格柵被拔出。因此，只要土工格柵有足夠的強度，并與土產(chǎn)生足夠的摩阻力，則加筋格賓擋墻保持內(nèi)部穩(wěn)定。

(2)莫爾-庫侖理論：土工格柵與填土視為均質各方向力學指標不同，土工格柵與土是復合材料。土工格柵彈性模量遠大于填土，土工格柵與填土共同作用，包括填土的抗剪力、土工格柵與填土的摩擦阻力及土工格柵的抗拉強度，使得各方向強度顯著提高。[3]

3.3 加筋土擋墻破壞形式[2]

(1)內(nèi)部穩(wěn)定不滿足破壞：土工格柵斷裂造成擋土墻破壞或土工格柵與土間摩擦力不足造成加筋擋墻破壞。

(2)外部穩(wěn)定不滿足破壞：沿基底抗滑穩(wěn)定性不足或地基承載力不足或抗傾覆能力不夠造成加筋擋墻破壞。

4 計算分析

由于格賓加筋擋墻是近年發(fā)展起來的新型結構，其理論計算還處于研究、完善過程，尚無標準規(guī)范予以借鑒，鑒于本格賓加筋擋墻視格賓為面板，擋墻主要結構與加筋土擋墻吻合，故采用《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)加筋擋土墻設計計算方法。

4.1 土工格柵計算

加筋格賓擋墻格賓與土工格柵獨立的計算方法中，加筋格賓擋土墻格賓后填料中的破裂面的形狀和位置是確定土工格柵長度的重要依據(jù)。加筋土設計理論中滑面形態(tài)、位置假定有多種。其中折線滑面線是實測資料各層土工格柵所受拉力的最大值(峰值)圓順連接而得到的所謂“潛在破裂面”。[1]

高強土工格柵采用剛塑復合材料，變形小，抗拉強度大，蠕變率低；不易產(chǎn)生脆裂破壞；與填料之間的摩擦系數(shù)大；在填土中耐久性和耐腐蝕能好。

土工格柵選用單向高強土工格柵，抗拉強度150 kN/m。土工格柵長度計算結果見表1。

1-活動區(qū)；2-簡化破裂面；3-穩(wěn)定區(qū)。圖4 折線滑面Fig.4 The broken line sliding surface

表1 土工格柵長度表Tab.1 Lengths of the lattices

L1為平臺以上土工格柵長度，L2為平臺以下土工格柵長度。

4.2 內(nèi)部穩(wěn)定計算[1]

(1)土壓力系數(shù)計算

當zi≤6 m時Ki=Kj(1-zi/6)+Ka×zi/6

當zi>6 m時Ki=Ka

Kj=1-sinφ

Ka=tan2(45°-φ/2)

式中：Ki—加筋體內(nèi)深度zi處土壓力系數(shù)；Ka—主動土壓力系數(shù)；zi—第i層土工格柵至加筋體頂面的垂直距離；Kj—靜止土壓力系數(shù)。

(2)作用于格賓上的水平土壓力

∑σEi=σzi+σai+σbi

式中：σzi—加筋土填料作用于深度zi處格賓上的水平土壓應力(kPa)；σai—活荷載作用于深度zi處板墻面上的水平土壓應力(kPa)；σbi—加筋體頂面以上橫載換算均布土厚所引起的深度zi處格賓上的水平土壓應力(kPa)。

圖5 結構計算簡圖(單位：m)Fig.5 Structure calculation diagram

(3)加筋體深度zi處的附加豎直壓應力

σfi=γhoLc/Lci

式中：ho—活荷載換算等代均布土層厚度(m)；Lc—加筋體計算時采用的荷載布置寬度，取路基全寬(m)；Lci—加筋體深度zi處的荷載擴散范圍(m)；γ—加筋體的自重(kN/m3)，當為浸水擋土墻時，按最不利水位上下的不同而分別計入。

(4)永久荷載自重作用下，土工格柵所在位置的豎向壓力

σi=γzi+γh1

式中：σi—在zi層深度處，作用于土工格柵上的豎向壓應力(kPa)；h1—加筋體以上結構自重換算等代均布土厚度(m)。

(5)單個土工格柵點的抗拔穩(wěn)定性按公式驗算

式中：γo—結構重要性系數(shù)；Tio—zi層深度處的土工格柵的水平拉力設計值(kN)；Ti—zi層深度處的土工格柵的水平拉力；∑σEi—在zi層深度處，格賓上的水平土壓應力(kPa)；γQ1—加筋體及墻頂填土主動土壓力或活荷載土壓力的分項系數(shù)；Tpi—永久荷載重力作用下，zi層深度處，土工格柵有效摩擦長度所提供的抗拔力(kN)；γR1—土工格柵抗拔力計算調(diào)節(jié)系數(shù)；sx—土工格柵結點水平間距(m)；sy—土工格柵結點垂直間距(m)；f'—填料與土工格柵間的似摩擦系數(shù)；bi—結點上的土工格柵總寬度(m)；Lai—土工格柵在穩(wěn)定區(qū)的有效錨固長度(m)。

(6)土工格柵截面的抗拉強度驗算公式

γ0Ti0≤Afk/1000γfγR2

式中：A—土工格柵截面的有效凈截面積(mm2)；fk—土工格柵強度標準值(MPa)；γf—土工格柵抗拉計算性能的分項系數(shù)；γR2—土工格柵抗拉計算性能的分項系數(shù)。

內(nèi)部穩(wěn)定性計算結果如表2

表2 內(nèi)部穩(wěn)定驗算結果表Tab.2 Verification results of the internal stability

計算結果表明，土工格柵水平拉力設計值滿足要求，但8 m以下筋體抗拔力達300 kN，故墻頂填土以下0～7 m范圍采用單層土工格柵，8 m以下范圍內(nèi)采用雙層土工格柵。

全墻抗拔穩(wěn)定性驗算，分項系數(shù)取1.0：

Kb=∑Tpi/∑Ti=4.35>2.0，滿足要求

4.3 外部穩(wěn)定性計算

根據(jù)規(guī)范要求，外部穩(wěn)定性計算進行抗滑穩(wěn)定驗算、抗傾覆穩(wěn)定驗算、地基承載力驗算和整體穩(wěn)定驗算，規(guī)范規(guī)定驗算公式及要求與重力式擋墻相同。驗算結果如表3：

表3 外部穩(wěn)定性驗算結果表Tab.3 Verification results of the external stability

外部穩(wěn)定驗算結果表明，除天然地基承載力不滿足要求外，其余均滿足要求，設計時對地基基礎進行換填處理，格賓單元范圍內(nèi)換填2.5 m寬，1 m深C20混凝土擴大基礎，加筋結構填土部分地基換填1 m厚片石處理，以滿足地基承載力要求。

5 格賓面墻設計

格賓面墻作用：防止土工格柵間填土從側向擠出，并保證土工格柵、填料、格賓構成有一定形狀的整體。

本工點根據(jù)現(xiàn)場情況，基礎沉降不均(覆土厚度變化較大)、受河流洪水沖刷、工期緊等因素采用格賓石籠面板(墻)，在工點現(xiàn)場直接充填塊石料構成。

6 施工順序及施工主要注意事項

6.1 施工順序

①施工放樣→②地面平整→③開挖格賓擋墻基礎→④施做格賓擋墻基礎→⑤鋪設土工格柵，安裝格賓籠→⑥人工填石(面墻0.3m采用干砌)→⑦安裝墻土工布→⑧分層回填結構填土(面墻2m范圍內(nèi)人工夯實)→⑨分層填土(機械壓實)。重復⑤～⑨工序至設計墻頂標高。

圖6 加筋格賓擋墻施工工藝流程圖Fig.6 Process flow of the gabion reinforced retaining wall

6.2 格賓擋墻施工操作要點

(1)放樣必須準確無誤。應根據(jù)基礎的縱橫軸線，推出基礎邊線的定位點，再放線畫出基坑的開挖范圍，基坑底部的尺寸較設計平面尺寸每邊各增加0.5 m的富余量。

(2)基坑可采用人工開挖或機械開挖，當采用機械開挖時，應保留不小于30 cm的底層用人工挖至基底標高。復核基底平面位置、尺寸大小和基底標高，采用直觀、觸探或挖試坑等方法，確定基底容許承載力是否符合設計要求，確認符合設計要求時，進行整平夯實后方可進行基礎的施工。

(3)應嚴格按設計要求位置對基礎進行沉降縫的施工，沉降縫兩側壁應豎直、平齊、無搭疊。

(4)格賓擋墻墻前定位要準確，采用立板拉弦線定位各層格賓位置，擋墻胸坡采用各層格賓退臺實現(xiàn)。

(5)格賓構件安裝

①格賓與格柵連結采用等強度格賓鋼絲按間隔10～15 cm單圈纏繞-雙圈鎖緊間隔絞合(見圖7)。

圖7 格賓與土工格柵聯(lián)結示意圖Fig.7 Connection between the gabion and the lattice

②格賓與格賓連接固定，各相接面板邊緣采用格賓鋼絲按間隔10～15 cm單圈纏繞-雙圈鎖緊間隔絞合(如圖8、圖9)。

圖8 組裝格賓Fig.8 Assembly of the gabion

圖9 邊緣絞合Fig.9 Stranding of the edge

③加筋格賓擋墻弧形面墻及轉折情況處理(如圖10)。

圖10 曲面面墻連接圖Fig.10 Connection between the curved surfaces

a、凹型弧面：面墻緊靠，后端加筋網(wǎng)面錯開，相臨單元面墻必須用鋼絲絞合連接；

b、凸型弧面：面墻緊靠，后端加筋網(wǎng)面根據(jù)曲線重疊，重疊面墻必須用鋼絲絞合連接。

④面墻填石前，應采用一定的臨時支撐(如木模、腳手架等)約束構件的變形，以確保施工后的墻體外觀規(guī)矩、平整(如圖11)。

圖11 方格面板示意圖Fig.11 The grid panel

(6)各層格賓面墻部分施工，采用人工干砌，確保外露面平順美觀。為保證填筑質量及填筑效果，相鄰格賓內(nèi)石料填筑高差不大于0.3 m。對于1 m高格賓構件，石料填筑1/3、2/3時分別采用拉筋鋼絲對其拉緊，如圖12、13所示。

圖12 分層裝填圖Fig.12 Filling by layer

圖13 加強鋼絲的綁扎Fig.13 Binding of the reinforced steel wires

(7)填方施工前，為防止填方中細顆粒被雨水帶走，在格賓面墻背部與填料間設置土工布。

(8)鋪設土工格柵前，應將下方填土碾壓密實，并略高于加筋面，然后鋪設土工格柵，填筑格柵上部覆土，然后碾壓，保證碾壓密實后，土工格柵基本水平。

(9)格柵鋪設：鋪設的格柵主要受力方向通長無接頭，幅與幅之間的搭接寬度不小于10 cm。施工時注意上下兩層層與層之間應錯縫。大面積鋪設后，要整體調(diào)整其平直度。用填土壓重固定，防止松馳，格賓之上填方每30 cm一個壓實層，松鋪厚度經(jīng)試驗確定。

(10)填料應優(yōu)先選用級配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應小于150 mm；在筋帶長度范圍內(nèi)不宜有尖銳棱角的塊石土，以免損壞加筋格柵。填料攤鋪前應進行壓實試驗，根據(jù)碾壓機械和填料性質確定填料分層攤鋪厚度和碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)。

(11)格賓擋墻后2 m范圍內(nèi)，不得采用大型壓實機械壓實，可以采用蛙式夯人工夯實，也可采用小型壓路機碾壓密實。機械碾壓時請按施工規(guī)范要求操作。

7 結論

本文對賓加筋擋墻的受力分析、計算及施工實踐得出，加筋格賓擋墻可應用于軟弱地基的高填方地段，其特點：地基承載力要求相對較低、適應性強、整體性好、抗震性能高，施工簡便、快速、節(jié)省勞力和縮短工期，工程造價較低。