新型加筋格賓擋墻在用地受限高填方路基中的應(yīng)用研究

張玉東,陳延偉,李本云

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

高速公路跨度大、布設(shè)方式靈活多樣，項目建設(shè)中常通過減少橋梁增加填方來消耗棄方或節(jié)約投資，但是當(dāng)填方較高時又存在安全風(fēng)險和用地問題。近些年來，國內(nèi)鐵路公路等行業(yè)對加筋格賓擋墻在填方路基中的應(yīng)用取得了較大的研究進(jìn)展，采用加筋格賓擋墻進(jìn)行填方收坡，既能解決填方占地較大的問題，又能保證填方安全穩(wěn)定。如，楊乃彬等在某高速中采用新型綠色加筋格賓擋墻進(jìn)行填方支擋，節(jié)約了農(nóng)田用地；王錦結(jié)合工程實例評價了加筋格賓擋墻的優(yōu)勢；楊文娟等在山區(qū)公路中采用加筋格賓擋墻，并進(jìn)行了大量計算分析，驗證方案的穩(wěn)定性；楊文江等對比了加筋格賓擋墻與傳統(tǒng)擋墻。該文以工程實例介紹了在用地條件限制下，采用一種新型綠色加筋格賓擋墻對填高超過30 m 的高填方路基進(jìn)行收坡處理的設(shè)計應(yīng)用方案，并對高填方路基穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，評價高填方邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程項目概況及難點

滇中某高速公路高填方路基位于K46+600～K46+900段，長300 m，地形呈深V 溝谷。根據(jù)地勘報告，場地上覆碎石土和含碎石粉質(zhì)黏土，為第四系殘坡積層（Qel+dl），其中，含碎石粉質(zhì)黏土主要分布于場區(qū)中部平緩地段及路線縱向大樁號側(cè)，區(qū)內(nèi)總體厚度在2～10.0 m 之間，鉆探揭露厚度1.8～9.0 m；碎石土主要分布于路線縱向小樁號側(cè)，區(qū)內(nèi)總體厚度在0～8.0 m 之間，鉆探揭露厚度2.0～5.1 m；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)張河組（J2z）中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖夾長石砂巖、粉砂巖，其中，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖中厚層狀，呈紫灰或紫紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、塊狀，施工鉆探揭示厚度1.0～3.6 m。區(qū)內(nèi)地下水的類型主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水靠大氣降水垂直補(bǔ)給，地下水埋深較深。谷流水屬于季節(jié)性徑流。場區(qū)無不良地質(zhì)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震動峰值加速度為0.15 g，場區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。各巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)取值如表1 所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

工程區(qū)域?qū)儆谀乘畮焖炊壉Ｗo(hù)區(qū)，路線縱向橫跨山間溝谷，位于路線兩長隧道之間，施工階段為消耗隧道洞渣，取消原設(shè)計橋梁方案，變更為填方路基通過，填方位于溝谷內(nèi)，填方路堤中心最大填高36 m，底部地勢平坦寬闊，地基較好。但是由于路線左側(cè)距離水庫水源一級保護(hù)區(qū)較近（路基邊緣距水源一級保護(hù)區(qū)40.38 m），且在一級保護(hù)區(qū)與二級保護(hù)區(qū)之間還有一條省級道路通過。如果按常規(guī)的填方邊坡坡率（1 ∶1.5～1 ∶2）放坡，一定會占到省道和一級水源保護(hù)區(qū)，因此，必須采用一種既能減少占地又能保證高填方邊坡安全穩(wěn)定的防護(hù)措施。

2 新型加筋格賓擋墻及設(shè)計方案

2.1 新型加筋格賓擋墻介紹

加筋格賓屬于加筋土領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。加筋土是將抗拉性能比較好的材料預(yù)埋在土中，充分利用其抗拉性能，繼而形成一種整體穩(wěn)定性相對較高的復(fù)合體，通過加筋材料和填土材料之間存在的相互摩擦力共同承受外力作用[1]。該文介紹的新型加筋格賓擋墻是由六邊形雙絞合鋼絲拉筋網(wǎng)面組合成的（如圖1 所示），是一種柔性、透水性、整體性良好的結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)面鋼絲為鍍鋅覆高耐磨有機(jī)涂層低碳鋼。因此，該結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢，如占地面積小、對地基的承載力要求低、綠化效果好、在大型工點中經(jīng)濟(jì)性好等。新型加筋格賓擋墻的筋帶網(wǎng)面與面墻采用無節(jié)點連接，這種連接方式力學(xué)性能穩(wěn)定，還能夠提高施工效率，具有很大的優(yōu)勢。墻面形式一般采用直立式或者退臺式，墻面網(wǎng)箱內(nèi)填充不易風(fēng)化的石塊，當(dāng)填方較高時采用分級直立式或分級退臺式。其中退臺式墻需要根據(jù)設(shè)計坡率設(shè)置退臺寬度，一般為0.15～0.5 m，這樣也便于臺面和墻面綠化。加筋格賓擋墻有很多優(yōu)勢，它布設(shè)形式多樣，具有良好的適應(yīng)性，可以根據(jù)地形進(jìn)行靈活布置，同時其抗震性和抗往復(fù)動荷載能力也很好，在工程實際中解決蠕變等問題[2]。因此，加筋格賓擋墻在很多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1 新型加筋格賓擋墻鋼絲網(wǎng)面部

2.2 高填方邊坡設(shè)計方案

高填方路基路堤中心最大高度達(dá)36 m，為避免占到省道和水源一級保護(hù)區(qū)，必須減少占地。設(shè)計中采用新型加筋格賓擋墻退臺式墻方案增大邊坡坡率（1∶0.75～1∶1），邊坡坡率依據(jù)省道的平曲線布設(shè)，格賓擋墻設(shè)計兩級邊坡，高度分別為9 m 和12 m，平臺寬度為2 m，坡腳設(shè)置混凝土擋土墻收坡固腳，邊坡占地距離不到25 m，有效解決占地問題，如圖2 所示。加筋格賓擋墻的面墻為鍍鋅覆高耐磨有機(jī)涂層低碳鋼組合的格賓網(wǎng)，單元規(guī)格為100 cm*80 cm，網(wǎng)面標(biāo)稱拉伸強(qiáng)度不小于42 kN/m，網(wǎng)面標(biāo)稱翻邊強(qiáng)度不小于35 kN/m，內(nèi)部采用強(qiáng)度等級不低于MU30 的不易風(fēng)化的質(zhì)地堅硬石料干砌。墻后采用特殊的高韌性聚酯紗線集束格柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)填土，這種特殊格柵須滿足設(shè)計力學(xué)要求，方案中的集束格柵采用超聲波焊接而成，格柵條帶外覆PEPE 鞘套保護(hù)層。根據(jù)驗算，墻后的格柵水平長度設(shè)置20 m 或25 m，垂直間距為1 m。加筋土路堤及后緣非加筋部分路堤應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工。

圖2 新型加筋格賓擋墻典型橫斷面設(shè)計圖

3 高填方穩(wěn)定性分析評價

3.1 穩(wěn)定性計算方法

3.1.1 加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性計算

采用該文介紹的新型加筋格賓擋墻的填方路堤屬于加筋土結(jié)構(gòu)，加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性計算包含兩方面：

（1）首先計算單根筋帶的抗拉能力，在進(jìn)行筋帶布設(shè)時，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)估計算，以此來確定筋材的強(qiáng)度和布設(shè)間距。

（2）考慮筋材作用，首先根據(jù)條分法原理，計算加筋結(jié)構(gòu)塊，內(nèi)部穩(wěn)定性，然后調(diào)整筋材布設(shè)方案，如筋材的強(qiáng)度、水平間距、垂直間距以及筋帶長度等，以使筋材的布設(shè)方案更加合理、經(jīng)濟(jì)，該過程需要反復(fù)調(diào)試優(yōu)化以使方案安全經(jīng)濟(jì)，計算量較大，因此必須采用相應(yīng)的軟件來計算。

3.1.2 筋帶抗拉強(qiáng)度的確定

加筋格賓第i層筋材所受水平拉力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[3]，即：

式中，vσΔ ∑ ——超載擴(kuò)散至zi深度處垂直附加應(yīng)力，荷載擴(kuò)散線的斜率為2 ∶1，擴(kuò)散線與墻背交點以下部分須考慮土壓力作用（kPa）；r1—— 加筋土填料重度（kN/m3）；r2——加筋體頂面以上填土重度（kN/m3）；h——加筋體頂面以上填土換算等代均布土厚度（m）；Sv——筋材垂直間距（m）[3]。

筋材強(qiáng)度條件應(yīng)符合下式要求：

式中，Timax——各層筋材中最大水平拉力（kN/m）；Ta——筋材允許抗拉強(qiáng)度（kN/m）。

3.1.3 內(nèi)部整體穩(wěn)定性驗算

對于內(nèi)部整體穩(wěn)定性的驗算，通過軟件進(jìn)行，即利用簡化Bishop 法原理，搜索最不利滑動面，所得到的滑面中近似包含了0.3H 折線破裂面和朗肯破裂面。簡化Bishop 法計算每個土條兩側(cè)條間力，保證整體力矩和土條垂直力的平衡，其假定的滑動面為圓弧形，并考慮了安全系數(shù)，即抗滑力矩和下滑力矩之比。

加筋單元在截斷滑動面區(qū)域內(nèi)可增加坡體的穩(wěn)定性，破裂面穿過筋帶時，將伸入滑弧后面的筋帶長度產(chǎn)生的摩阻力、滑弧前面筋帶長度所產(chǎn)生的摩阻力和筋帶抗拉強(qiáng)度三者的小值對滑弧圓心取矩，視為穩(wěn)定力矩?？紤]加筋單元作用的安全系數(shù)如下：

式中，ci、φi——第i條塊滑動面處黏聚力和內(nèi)摩擦角；bi——第i條塊滑動面處弧長（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夾角（°）；Pi——穿過破裂面的第j道筋帶抗拔力（kN）；θi——穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線夾角（度）[4-6]。

3.1.4 整體穩(wěn)定性驗算

按設(shè)計要求墻后填土分布較均勻，因此同樣采用簡化Bishop 法進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，計算軟件為MacStars 軟件。

3.2 高填方設(shè)計方案穩(wěn)定性評價

根據(jù)現(xiàn)場踏勘及施工圖設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察資料，利用Macstars 軟件對高填方路基新型加筋格賓擋墻進(jìn)行內(nèi)部和整體穩(wěn)定性計算，并與規(guī)范要求進(jìn)行對比（如表2），可見加筋土內(nèi)部及整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，高填方路基安全穩(wěn)定。

表2 穩(wěn)定性計算結(jié)果

4 結(jié)語

該文介紹的工程案例，由于填方高度較大，通過計算分析并對加筋格賓擋墻進(jìn)行合理設(shè)計，穩(wěn)定性計算結(jié)果證明該方案能夠保證高填方的邊坡穩(wěn)定。通過采用新型加筋格賓擋墻增大邊坡坡率，減少了占地范圍，也實際解決了該工點用地受限的問題。新型加筋格賓擋墻具備一些傳統(tǒng)支擋方案所不具備的特點和優(yōu)勢，在今后更多的工程建設(shè)中必能發(fā)揮作用，解決更多工程實際問題。