楊廣慶

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

1 研究背景

加筋擋土墻正在被越來越廣泛地應(yīng)用于工程界的各個(gè)領(lǐng)域。合理的設(shè)計(jì)方法是保證結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定和耐久性的重要前提。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)加筋擋土墻設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范(指南)主要是基于極限平衡方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外部穩(wěn)定性分析［1－7］。在加筋擋土墻的設(shè)計(jì)中涉及到潛在破裂面形狀、墻背側(cè)向土壓力系數(shù)、擋土墻填料選用、加筋材料選擇、筋材設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值和多級(jí)加筋擋土墻設(shè)計(jì)等問題，而各設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范(指南)存在一定的差異。同時(shí)大量的工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［8－18］表明，按照極限平衡法設(shè)計(jì)的加筋擋土墻偏于保守，特別是筋材實(shí)際受力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，研究探討加筋擋土墻合理的設(shè)計(jì)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 加筋擋土墻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

加筋擋土墻的設(shè)計(jì)方法很多，歸納起來主要分為極限平衡法(Limiting Equilibrium Method)，極限狀態(tài)法(Limit State Method)和數(shù)值模擬法(Numerical Simulation Method)3大類［10］。極限平衡法和極限狀態(tài)法是用于分析加筋土擋墻極限破壞時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)，數(shù)值模擬法則用于分析加筋土結(jié)構(gòu)在工作應(yīng)力狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)時(shí)筋材材料的拉力分布與土體變形情況。實(shí)際上，一個(gè)完整的加筋擋土墻的設(shè)計(jì)分析應(yīng)包含極限平衡分析、工作應(yīng)力狀態(tài)分析及墻體變形量的估算等內(nèi)容。

2.1 極限平衡法

在加筋擋土墻發(fā)展初期，一般視結(jié)構(gòu)為錨固系統(tǒng)，墻背側(cè)向土壓力是通過筋材與墻面板的連接傳遞給筋材。即筋材承擔(dān)的最大拉力是通過計(jì)算其分擔(dān)的墻面板面積所承受的土壓力來確定的。假定加筋擋土墻可以產(chǎn)生足夠的側(cè)向位移，墻后土楔體能達(dá)到主動(dòng)土壓力狀態(tài)，筋材與土之間發(fā)生了相對(duì)位移，產(chǎn)生了摩阻作用，內(nèi)力達(dá)到平衡。隨著對(duì)加筋擋土墻研究的逐步深入，發(fā)現(xiàn)錨固楔體法的簡(jiǎn)單概念難以全面反映加筋土結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力平衡。筋材的受力除與面板所受的土壓力有關(guān)外，還有其自身的特點(diǎn)，即筋材的主要作用是通過它與填土間的摩擦阻力約束土體的側(cè)向膨脹，提高加筋土結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。墻面板主要起擋土作用，不是主要的受力構(gòu)件。同時(shí)筋材的存在改變了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變模式、墻后土壓力分布及潛在破裂面位置，這就是Schlosser等人提出將加筋土看作“粘結(jié)”重力式結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)認(rèn)為填土與筋材組合形成各向異性的復(fù)合體，被一層層筋材所起的"粘結(jié)"作用所穩(wěn)定，組成一個(gè)整體(即加筋擋土墻)［19］。

上述的極限平衡法主要是對(duì)加筋擋土墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，即分析計(jì)算整體結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部穩(wěn)定破壞所需筋材材料強(qiáng)度及應(yīng)力分配。其中內(nèi)部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析先假設(shè)側(cè)向土壓力的分布狀況，再計(jì)算不同深度處平衡該側(cè)向土壓力所需的筋材強(qiáng)度及應(yīng)力分配;外部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析則先將加筋土體視為具有較高強(qiáng)度的復(fù)合土體，再根據(jù)傳統(tǒng)重力式擋土墻外部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。在不同國(guó)家，極限平衡法的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)有所差異，因而出現(xiàn)了諸如位移法、變分位移法、錨固楔體法、修正 Rankine法、FHWA(2000)法、NCMA法等。

雙楔體法，即德國(guó)建筑研究所提出的DIBt(Deutches Institute fur Bautechnik)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)在歐洲被廣泛使用。該方法同樣基于錨固楔體法，但其又有自身的特點(diǎn)。加筋土體墻背側(cè)向土壓力設(shè)計(jì)采用庫(kù)倫土壓力理論，土體強(qiáng)度采用有效內(nèi)摩擦角，地基承載力則采用Meyerhof分布形式。計(jì)算時(shí)既考慮了改進(jìn)的太沙基承載力公式，又考慮了由主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的合力偏斜作用。內(nèi)部穩(wěn)定型分析采用雙楔體法，先預(yù)估筋材的布置方式，只著重考慮了筋材的拔出破壞。采用的滑動(dòng)面為斜面，假設(shè)滑動(dòng)面上部沿加筋體邊緣且在墻面的不同高度處，每隔3°有一個(gè)計(jì)算面。此外還有2種特殊的滑動(dòng)面，即在相鄰2層筋材之間而不與筋材相交的面以及滑動(dòng)面為筋材面。按照以上各個(gè)不同的計(jì)算面來驗(yàn)算筋材的拔出穩(wěn)定性，繼而確定筋材的合理布置。

DIBt法分析的加筋擋土墻破壞形式較全面，筋材布置較為合理，計(jì)算工作量較大，一般需借助計(jì)算機(jī)完成。該方法目前在德國(guó)、英國(guó)和歐洲其他國(guó)家應(yīng)用較普遍。

2.2 極限狀態(tài)法

在極限平衡設(shè)計(jì)方法中，直接以土的峰值強(qiáng)度(或殘余強(qiáng)度)為指標(biāo)，給定一個(gè)保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的總體安全系數(shù)，沒有或很少考慮結(jié)構(gòu)的變形。而對(duì)于廣泛應(yīng)用的土工合成材料加筋擋土墻來說，如果在設(shè)計(jì)中不考慮其變形，顯然是不合理的。

極限狀態(tài)法自20世紀(jì)80年代在結(jié)構(gòu)工程中開始使用，90年代在巖土工程中得到較廣應(yīng)用。極限狀態(tài)法的特點(diǎn)之一是同時(shí)考慮強(qiáng)度和變形，即承載能力極限狀態(tài)(Ultimate Limit State，ULS)承受靜載荷與活載和正常使用極限狀態(tài)(Serviceability Limit State，SLS)。另一個(gè)特點(diǎn)是引入分項(xiàng)安全系數(shù)來代替整體安全系數(shù)。對(duì)基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的加筋擋土墻來說，可以考慮不同極限狀態(tài)下各種材料之間的應(yīng)變兼容性，同時(shí)還可以考慮內(nèi)外部環(huán)境對(duì)材料耐久性的影響。

隨著土工合成材料在加筋土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展，其特殊拉伸應(yīng)變特性要求設(shè)計(jì)上將加筋土結(jié)構(gòu)的邊界變形及內(nèi)部應(yīng)變協(xié)調(diào)性直接(而不再是間接)作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和控制?！皹O限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”設(shè)計(jì)思想因此應(yīng)運(yùn)而生。BS8006(1995)、BS8006(2010)、FHWA(2010)、AASHTO(2004)、NCMA(2010)等規(guī)范(指南)部分采用了極限狀態(tài)法的思想或在不同程度上已初步解釋了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法以及分項(xiàng)修正系數(shù)的概念。

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局(British Standards Institution)在基于極限平衡法的既有規(guī)范BE 3/78(British Department of Transport，1978)基礎(chǔ)上，1995年制定了加筋土應(yīng)用規(guī)范BS8006(1995)。其設(shè)計(jì)理念已經(jīng)由總體安全系數(shù)法發(fā)展到分項(xiàng)安全系數(shù)法，包括了基于考慮不同影響因素的分項(xiàng)材料系數(shù)、分項(xiàng)荷載系數(shù)和分項(xiàng)破壞形式系數(shù)。通過應(yīng)用，已經(jīng)對(duì)該規(guī)范進(jìn)行了修編，于2010年出版了BS8006－1—2010，其設(shè)計(jì)方法更加完善。BS8006規(guī)定在所有設(shè)計(jì)情況下，分項(xiàng)安全系數(shù)在考慮承載能力極限狀態(tài)下其值應(yīng)大于1.0，若改為正常使用極限狀態(tài)，則其值為1.0;設(shè)計(jì)荷載則由土體及筋材的復(fù)合性質(zhì)來提供阻抗能力。筋材若為金屬時(shí)，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度僅需將材料極限抗拉強(qiáng)度除以分項(xiàng)安全系數(shù);至于土工合成材料筋材，則需將拉伸蠕變斷裂強(qiáng)度(Tensile Creep Rupture Strength)與拉伸蠕變應(yīng)變控制強(qiáng)度(Strength Controlled by Tensile Creep Strain)分別除以分項(xiàng)安全系數(shù)后，取最小者則為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.3 數(shù)值模擬法

與極限平衡法相比，數(shù)值模擬法的優(yōu)越性是將加筋土擋墻的變形協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡結(jié)合在一起，克服了傳統(tǒng)的極限平衡法將兩者完全分開的局限。數(shù)值模擬法不僅能計(jì)算出土體中各點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力水平，提供受荷后土體與筋材的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，還能在計(jì)算中考慮土體的非均質(zhì)和非線性、土體與筋材隨時(shí)間的變化、施工程序和荷載變化情況，而且還可以模擬某些復(fù)雜性質(zhì)和過程。

加筋土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，涉及到填料、筋材、地基、筋材與填料以及筋材與地基的相互作用等影響因素。數(shù)值模擬方法主要分為3類:①將筋材單元與土單元分開考慮，筋材單元與土體單元之間設(shè)接觸面單元;②將筋材與土體合成為一體，作為復(fù)合材料考慮;③將筋材作為外荷載考慮，直接作用在土體單元上，僅有土體單元。

2.4 3種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的比較

極限平衡法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，由于能給出安全系數(shù)的指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮強(qiáng)度方面的系數(shù)，計(jì)算工作量小，所以在加筋土工程設(shè)計(jì)中常被采用。但是由于極限平衡法需要對(duì)筋材、土體、滑動(dòng)面做出許多假定，加上人為隔離強(qiáng)度與變形，與實(shí)際情況差異較大，導(dǎo)致該方法偏于保守，易造成浪費(fèi);對(duì)筋材強(qiáng)度、許可變形等取值具有很大的任意性，所研究的是假想的極限平衡狀態(tài)而不是工作應(yīng)力狀態(tài)，沒有充分揭示土與筋材的相互作用機(jī)理，不能充分考慮各種影響穩(wěn)定的因素，不能計(jì)算土體的應(yīng)力和應(yīng)變，也不能模擬施工進(jìn)程。故而只能將極限平衡法作為半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，通過不斷積累工程經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)研究、理論分析，對(duì)其進(jìn)行合理修正，以使其更加接近于工程實(shí)際。

極限狀態(tài)法作為巖土工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一，有良好的理論基礎(chǔ)和廣泛的成功應(yīng)用實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)，但仍存在模糊不清的地方，特別是正常使用極限狀態(tài)的控制設(shè)計(jì)，還需做大量的工作。數(shù)值模擬法彌補(bǔ)了極限平衡法的不足，但計(jì)算中需要的土體、筋材和它們之間相互作用的本構(gòu)關(guān)系和相應(yīng)參數(shù)等確定尚困難，還需要了解土體的初始條件等。因此數(shù)值模擬法除在比較復(fù)雜或特殊的工程中進(jìn)行分析評(píng)價(jià)外，在常規(guī)的工程設(shè)計(jì)中很少單獨(dú)采用。

3 加筋擋土墻的設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟

設(shè)計(jì)加筋擋土墻時(shí)，一般根據(jù)地形、地基、地質(zhì)等條件，結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的要求及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初擬擋墻斷面尺寸及筋材布置，根據(jù)擬定的斷面和筋材布置分別驗(yàn)算外部穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性，對(duì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行分析，在滿足規(guī)范要求的前提下得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文主要介紹目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的基于極限平衡分析的設(shè)計(jì)方法。

3.1 確定工程與功能需求

加筋土擋墻設(shè)計(jì)需要確定的主要參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)包括以下幾個(gè)方面。

(1)幾何尺寸:擋墻高度、墻面傾角、墻后邊坡坡度、墻頂坡度。

(2)荷載條件:自重荷載、墻頂臨時(shí)荷載、墻頂永久荷載、臨近結(jié)構(gòu)可能對(duì)加筋擋土墻的內(nèi)外部穩(wěn)定產(chǎn)生影響的荷載、地震荷載等。

(3)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)不同行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，確定不均勻沉降允許值、水平位移允許值、設(shè)計(jì)年限、施工情況與條件等。

3.2 確定作用于加筋體的荷載

作用在加筋擋土墻上的外荷載主要包括加筋體背部的土壓力以及作用在加筋體上部的各種荷載。因此設(shè)計(jì)的荷載類型有水平土壓力、豎向土壓力、擋墻頂面的活荷載、超載、水壓力和地震荷載。擋墻頂部的荷載有以下3種分布情況(見圖1):水平填土均布荷載、直線斜坡填土荷載和折線斜坡填土荷載。

圖1 不同類型斜坡填土荷載時(shí)的計(jì)算圖示Fig.1 Sketch for the calculation of different filling loads

不同工況時(shí)加筋體背部主動(dòng)土壓力系數(shù)的計(jì)算包括以下幾個(gè)方面。

(1)墻面垂直、填土面水平:墻面垂直或近似垂直(墻面傾角不小于80°)、墻頂作用均布荷載時(shí)，加筋體背部的主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算公式為

(2)墻面垂直、直線斜坡填土荷載:墻面垂直或近似垂直(墻面傾角不小于80°)、墻頂作用直線斜坡填土荷載時(shí)，加筋體背部的主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算公式為

其中，

式中:δ為加筋體與非加筋體墻背摩擦角，令δ=β，β為墻頂填土坡度;θ為加筋土擋墻與水平面的角度。

(3)墻面垂直、折線斜坡填土荷載:主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算公式如式(2)，將公式中的β，δ等于I(如圖1(c)所示)。

(4)墻面傾斜:墻面傾角小于80°時(shí)，主動(dòng)土壓力系數(shù)的計(jì)算仍采用式(2)，在這種情況下θ表示加筋體與水平面所成的角度，δ=β(如圖2所示)。

圖2 墻面傾角小于80°時(shí)土壓力計(jì)算圖示Fig.2 Sketch for the calculation of active earth pressure when angle of the wall plane is less than 80°

3.3 外部穩(wěn)定性分析

加筋土擋墻外部穩(wěn)定性分析需要滿足以下要求。

(1)抗滑穩(wěn)定性分析:Fs≥1.3;

(2)基底合力偏心距分析:土質(zhì)地基e≤B/6，巖石地基e≤B/4;

(3)地基土承載力分析:基底壓力不大于地基承載力;

(4)沉降分析:沉降滿足結(jié)構(gòu)的工后沉降要求。

3.4 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

內(nèi)部穩(wěn)定性分析包括筋材強(qiáng)度驗(yàn)算和抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

3.4.1 水平填土均布荷載作用于墻頂

3.4.1.1 筋材強(qiáng)度驗(yàn)算

加筋土結(jié)構(gòu)中筋材承受的水平拉力決定于由填料本身及上部荷載產(chǎn)生的水平土壓力。由填料產(chǎn)生的水平土壓力采用漸變的土壓力系數(shù)計(jì)算(介于靜止土壓力系數(shù)和主動(dòng)土壓力系數(shù)之間)，由荷載產(chǎn)生的水平土壓力按Boussinesq假定條形荷載作用下土中應(yīng)力公式計(jì)算。

筋材所受拉力不應(yīng)大于筋材的容許抗拉強(qiáng)度。

3.4.1.2 抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算包括全墻抗拔穩(wěn)定和單個(gè)墻面板抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

內(nèi)部穩(wěn)定性分析時(shí)，筋材錨固區(qū)和非錨固區(qū)的分界一般按照半經(jīng)驗(yàn)法，采用0.3H分界線(如圖3所示)。

圖3 筋材錨固區(qū)與非錨固區(qū)分界線Fig.3 Boundary between reinforcement anchorage zone and non-anchor zone

筋材所在位置的垂直壓力為填料自重壓力與荷載產(chǎn)生的壓力之和，筋材抗拔力根據(jù)筋材上下兩面所產(chǎn)生的摩擦力計(jì)算。

驗(yàn)算筋材抗拔穩(wěn)定性應(yīng)包括有荷載和無荷載2種情況。

3.4.1.3 筋長(zhǎng)設(shè)計(jì)

由內(nèi)部穩(wěn)定性確定所需加筋總長(zhǎng)度L=La+Lb(La和Lb參見圖3)。

3.4.2 斜坡填土荷載作用于墻頂

3.4.2.1 筋材強(qiáng)度驗(yàn)算

與水平填土均布荷載相比，加筋體內(nèi)筋材增加了由加筋體上部填土產(chǎn)生的水平土壓力。計(jì)算時(shí)將加筋體上填土換算成等代均布填土荷載計(jì)算，該等代均布土層厚度等于距面板背面0.5倍加筋體高度的水平距離的點(diǎn)上的加筋體上填土高度hz(見圖4)。圖中1∶m表示斜坡填土荷載的坡率。

圖4 加筋土上等代荷載計(jì)算圖式Fig.4 Sketch for the calculation of equivalent load on reinforced soil

3.4.2.2 抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

筋材抗拔力及抗拔穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算方法同3.4.1.2節(jié)，在此不贅述。

4 加筋擋土墻設(shè)計(jì)中若干問題的討論

4.1 加筋擋土墻潛在破裂面形狀

有關(guān)加筋擋土墻潛在的破裂面形狀，目前各國(guó)機(jī)構(gòu)對(duì)此還未統(tǒng)一。

美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)認(rèn)為當(dāng)采用設(shè)計(jì)荷載下應(yīng)變超過1%的可延伸筋材時(shí)，破裂面接近朗肯破裂面，即破裂面與水平面的交角為45°+φ/2，否則破裂面為0.3H折線形。美國(guó)混凝土砌體協(xié)會(huì)(NCMA)假定模塊式土工合成材料加筋擋土墻的破裂面接近朗肯破裂面。我國(guó)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50290—2012)［1］明確采用塑料土工格柵或有紡?fù)凉た椢锏壤炷Ａ肯鄬?duì)較低的筋材時(shí)，墻內(nèi)土中潛在破裂面接近朗肯破壞面;采用抗拉模量高、延伸率低的土工帶等作為筋材時(shí)，墻內(nèi)填土中的潛在破裂面為0.3H折線形。

國(guó)內(nèi)交通系統(tǒng)(公路、鐵路)的土工合成材料加筋擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)一般結(jié)合以往的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果確定潛在破裂面的位置。筆者結(jié)合多個(gè)加筋擋土墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)拉筋最大拉力連線確定的潛在破裂面基本接近0.3H折線形。但由于實(shí)測(cè)工作應(yīng)力狀態(tài)下筋材的最大應(yīng)變一般均小于1%，由此推測(cè)擋墻潛在破裂面是否合理有待進(jìn)一步商榷。隨著加筋擋土墻水平變形的增大或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的喪失，各層筋材最大拉力大小及位置的變化機(jī)制需進(jìn)一步研究。且潛在破裂面的位置與墻面板的剛度相關(guān)。研究認(rèn)為對(duì)于柔性筋材，潛在破裂面位置基本接近于朗金破裂面，受墻面板相對(duì)剛度的影響不大;而對(duì)于非柔性筋材，潛在破裂面受墻面板相對(duì)剛度和筋材相對(duì)長(zhǎng)度的影響較大。

4.2 墻背側(cè)向土壓力系數(shù)

美國(guó)FHWA根據(jù)筋材的剛度不同，確定了不同的側(cè)向土壓力系數(shù)。美國(guó)混凝土砌體協(xié)會(huì)(NCMA)采用主動(dòng)土壓力系數(shù)。英國(guó)BS8006標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)相關(guān)行業(yè)均采用了折線系數(shù)法，即6.0m墻高以下采用主動(dòng)土壓力系數(shù)，6.0m以上由Ka向靜止土壓力系數(shù)K0線性增長(zhǎng)，如圖5所示。而大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，工作應(yīng)力狀態(tài)下加筋擋土墻的側(cè)向土壓力系數(shù)遠(yuǎn)小于Ka。

4.3 加筋土擋墻填料的選用

對(duì)于加筋擋土墻填料的選擇，國(guó)外大多規(guī)范不考慮土的黏聚力(c=0kPa)，日本和英國(guó)分別給出了最大可用值(10kPa和5kPa)。且國(guó)外對(duì)于填料土體的級(jí)配要求比較嚴(yán)格，不允許使用黏土填料，英、美(FHWA)要求細(xì)粒土含量分別小于10%和15%，巴西及美國(guó)(NCMA)的允許細(xì)粒含量分別為30%和35%，NCMA甚至允許當(dāng)精細(xì)化施工條件下可以高達(dá)50%。對(duì)于允許使用黏性土填料的規(guī)范而言，填土的塑性指數(shù)最大值的規(guī)定各國(guó)對(duì)此也有很大不同:Ip≤6(美國(guó)(FHWA))，Ip≤15(巴西)，Ip≤20(香港)，這與使用當(dāng)?shù)氐奶盍虾彤?dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)有關(guān)。

國(guó)內(nèi)的加筋擋土墻工程基于經(jīng)濟(jì)等方面的考慮，墻后土體填料一般就地取材，包括采用粗粒料、細(xì)粒土、石灰土或粉煤灰等。由于土工格柵等加筋材料與細(xì)粒土界面摩擦特性的特殊性、雨水入滲對(duì)細(xì)粒土工程性質(zhì)的特殊影響等，以細(xì)粒土為填料的加筋擋土墻設(shè)計(jì)方法仍需進(jìn)一步研究。

圖5 BS 8006標(biāo)準(zhǔn)中黏結(jié)重力式法規(guī)定的側(cè)向土壓力系數(shù)Fig.5 Lateral earth pressure coefficient prescribed in adhesive gravity method in Standard BS8006

4.4 筋材的選擇

根據(jù)加筋機(jī)理，拉筋帶、土工織物、塑料拉伸格柵、經(jīng)編格柵、鋼塑格柵、玻纖格柵等土工合成材料均可作為加筋擋土墻的筋材使用。但基于結(jié)構(gòu)的使用功能、應(yīng)用特點(diǎn)和安全耐久考慮，在選用筋材時(shí)首先應(yīng)分析材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度(包括對(duì)機(jī)械施工損傷、蠕變和老化損傷)及其對(duì)結(jié)構(gòu)、填料的適應(yīng)性。

4.5 筋材設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值

合理選擇土工格柵筋材抗拉強(qiáng)度涉及的各項(xiàng)折減系數(shù)直接關(guān)系到加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，還影響加筋土工程的穩(wěn)定性、耐久性等。

強(qiáng)度折減系數(shù)主要考慮蠕變折減系數(shù)、機(jī)械施工損傷折減系數(shù)、老化折減系數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)各項(xiàng)折減系數(shù)均進(jìn)行了深入研究，并提出了不同推薦值。

美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)給出了不同高分子材料建議蠕變折減系數(shù)范圍:聚酯PET為2.5～1.6，聚丙烯 PP為5～4，高密度聚乙烯 HDPE為5.0～2.6。

土工格柵的機(jī)械施工損傷一般分為4種類型:①由于與筋材表面接觸的小顆粒填料摩擦而造成的一般磨損;②由于填料中大顆粒導(dǎo)致的筋材肋條發(fā)生磨損;③縱肋局部開裂形成小裂縫;④縱肋產(chǎn)生尖銳鋸齒導(dǎo)致整個(gè)肋條發(fā)生剪斷破壞。鄭鴻等［20］探討了HDPE單向土工格柵在不同級(jí)配填料介質(zhì)中的機(jī)械施工損傷，界定了機(jī)械施工損傷強(qiáng)度折減系數(shù)，如表1所示。

表1 土工格柵施工損傷折減系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test result of the reduction factor of geogrid by construction damage

具有鏈節(jié)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物組成的土工格柵在加筋土結(jié)構(gòu)中會(huì)長(zhǎng)期經(jīng)受微生物、化學(xué)(酸、堿)以及熱氧化的作用，易發(fā)生降解反應(yīng)和交換反應(yīng)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。為此，土工格柵的抗老化折減是其長(zhǎng)期設(shè)計(jì)強(qiáng)度的重要組成部分。高分子聚合物中分子的排列方式對(duì)土工格柵的耐久性有一定影響。表2為4種典型原材料的耐久性能對(duì)比。

表2 土工合成材料常用高分子聚合物性能對(duì)比Table 2 Comparison of the performance among geosynthetics

《鐵路路基土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(TB 10118—2006)［3］建議加筋土結(jié)構(gòu)拉筋考慮化學(xué)、生物損傷的強(qiáng)度折減系數(shù)為1.0～1.5。《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(SL/T 225—98)［2］建議用于加筋土擋墻的土工格柵強(qiáng)度折減系數(shù)中化學(xué)破壞影響系數(shù)取1.0～1.5，生物破壞影響系數(shù)取1.0～1.3。這些系數(shù)指標(biāo)大多是參考國(guó)外的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)而得出的。通過對(duì)青島旭域土工材料股份有限公司生產(chǎn)的HDPE土工格柵按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)老化試驗(yàn)試驗(yàn)，包括100℃條件下持續(xù)56 d的氧化試驗(yàn)、持續(xù)16周的微生物降解試驗(yàn)和酸、堿環(huán)境下的化學(xué)降解試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示材料強(qiáng)度幾乎沒有衰減，老化折減系數(shù)為1.0。

4.6 多級(jí)臺(tái)階加筋擋土墻設(shè)計(jì)

對(duì)于多級(jí)加筋擋土墻設(shè)計(jì)技術(shù)，美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)和美國(guó)混凝土砌體協(xié)會(huì)(NCMA)分別基于不同的假定僅對(duì)雙級(jí)加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單規(guī)定，分別如圖6和圖7所示。FHWA設(shè)計(jì)方法認(rèn)為:當(dāng)平臺(tái)寬度D≤(H1+H2)/20時(shí)，可以將雙級(jí)加筋土擋墻按照單級(jí)墻考慮(H1為上級(jí)墻高度，H2為下級(jí)墻高度);當(dāng)D≥H2tan(90°－φ)時(shí)，上下級(jí)擋墻可以進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，不考慮其相互作用;只有(H1+H2)/20≤D≤H2tan(90°－φ)時(shí)，需要在考慮上級(jí)墻荷載對(duì)下級(jí)墻垂直壓力影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行下級(jí)墻的內(nèi)部和外部穩(wěn)定性計(jì)算。該設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析是按照“坡”的穩(wěn)定性計(jì)算模式進(jìn)行的，但對(duì)2級(jí)以上的臺(tái)階式加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法沒有說明。NCMA方法認(rèn)為:上級(jí)墻的設(shè)計(jì)中不考慮上下相鄰2級(jí)墻的相互作用，而下級(jí)墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將上級(jí)墻等效成作用在該擋墻頂面的均布外荷載。目前國(guó)內(nèi)規(guī)范均沒有明確臺(tái)階式加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法，擋墻的分級(jí)高度和墻間平臺(tái)寬度設(shè)計(jì)比較隨意。

圖6 FHWA設(shè)計(jì)方法Fig.6 Design method in FHWA

圖7 NCMA設(shè)計(jì)方法Fig.7 Design method in NCMA

由于墻體間平臺(tái)的減載效應(yīng)上下2級(jí)墻之間的相互作用會(huì)隨著平臺(tái)寬度和擋墻分級(jí)高度的變化而變化。現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范只是部分地、簡(jiǎn)單地考慮了上級(jí)墻荷載對(duì)下級(jí)墻的影響，而忽略了下級(jí)墻狀態(tài)對(duì)上級(jí)墻行為的作用;擋墻分級(jí)高度和平臺(tái)寬度設(shè)計(jì)比較隨意，尚未從受力變形機(jī)理的角度深入研究平臺(tái)布置和分級(jí)的最佳方式。在工程應(yīng)用過程中加筋土擋墻可能會(huì)出現(xiàn)過大的水平變形或豎向沉降，導(dǎo)致筋土間的變形協(xié)調(diào)困難，影響結(jié)構(gòu)的使用功能。而目前對(duì)結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)理和工作行為還缺乏深入的了解與研究，影響了該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

加筋擋土墻設(shè)計(jì)方法歸納為極限平衡法、極限狀態(tài)法和數(shù)值模擬法，其中數(shù)值模擬法的參數(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜的試驗(yàn)來確定，在實(shí)際工程中應(yīng)用不多，大多作為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)證手段。

極限平衡法簡(jiǎn)單、易行，設(shè)計(jì)應(yīng)用方便。但極限平衡法對(duì)拉筋、土體、滑動(dòng)面做出了許多假定，將各種設(shè)計(jì)條件、各種指標(biāo)和參數(shù)都定值化，并選用一定的計(jì)算模式來進(jìn)行計(jì)算，把那些未知的、不定的因素都?xì)w結(jié)到一個(gè)總的安全系數(shù)上，即所謂的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法或安全系數(shù)法。

目前我國(guó)加筋擋土墻的設(shè)計(jì)方法均采用安全系數(shù)法，依托確定的設(shè)計(jì)參數(shù)和單一的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)際巖土工程中存在諸多不確定因素。由于確定的設(shè)計(jì)參數(shù)不能體現(xiàn)參數(shù)的變異性，單一的安全系數(shù)不能較好反映各種因素對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)安全的真實(shí)影響程度，其設(shè)計(jì)方法的理念存在一定的局限性，設(shè)計(jì)結(jié)果趨于保守。

隨著加筋擋土墻設(shè)計(jì)方法研究的深入，加筋擋土墻的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)由總體安全系數(shù)法發(fā)展到分項(xiàng)安全系數(shù)法，該方法可以同時(shí)考慮強(qiáng)度和變形，即承載能力極限狀態(tài)承受靜載荷與活載和正常使用極限狀態(tài);引入包括了基于考慮不同影響因素的分項(xiàng)材料系數(shù)、分項(xiàng)荷載系數(shù)和分項(xiàng)破壞形式系數(shù)來代替整體安全系數(shù)?？梢暂^全面考慮各種因素的變異性，不同極限狀態(tài)下的各種材料之間的應(yīng)變兼容性，同時(shí)還可以考慮內(nèi)外部環(huán)境對(duì)材料耐久性的影響，在理論上更符合實(shí)際，能夠真實(shí)反映該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和使用要求，符合國(guó)際巖土工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和先進(jìn)水平，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

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