楊文娟 徐慧杰 朱 俊 劉 琦

(1.江西省交通科學(xué)研究院 南昌 330200； 2.中交二公局萌興工程有限公司 西安 710065)

加筋土擋墻是一種新型有效柔性擋土結(jié)構(gòu)，結(jié)合新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，在工程實(shí)踐中取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益而被廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)。與傳統(tǒng)擋土墻相比，加筋土擋墻具有降低工程成本，施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的公路邊坡加固設(shè)計(jì)主要考慮是邊坡的穩(wěn)定，追求邊坡的強(qiáng)度功效，采用抹面、噴漿、漿砌片石護(hù)墻、錨噴護(hù)坡等技術(shù)保證邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。然而隨著巖石的風(fēng)化和防護(hù)材料的老化，其效果會(huì)日益衰退；同時(shí)，石料或混凝土隔斷了邊坡表面與大地的連接而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)失衡，以及土壤污染、視覺(jué)污染等。

基于上述現(xiàn)狀，我國(guó)對(duì)加筋土擋墻設(shè)計(jì)理論和力學(xué)分析進(jìn)行了一些開(kāi)發(fā)研究工作。廖紅建等[2]提出了基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論和等效附加圍壓理論的加筋土擋墻土壓力計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析， 驗(yàn)證了作用在加筋土擋墻上的實(shí)際總土壓力，并建立了三維應(yīng)力狀態(tài)下的加筋土擋墻土壓力計(jì)算公式；徐超等[3]通過(guò)筋-土離心模型試驗(yàn)方法采集了數(shù)據(jù)，并應(yīng)用FLAC軟件對(duì)有限填土加筋土擋墻進(jìn)行了數(shù)值分析，深入研究了加筋長(zhǎng)度、加筋間距，以及墻面與鉛直面的夾角大小對(duì)擋墻穩(wěn)定性及破壞模式的影響；張智超等[4]針對(duì)山區(qū)斜坡地帶修筑公路加筋土擋墻系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)山區(qū)地形特點(diǎn)的微型樁-加筋土擋墻系統(tǒng)；李仲發(fā)等[5]研究了格柵加筋陡坡的力學(xué)特性，修筑了加筋陡坡的室內(nèi)模型。

同時(shí)，在加筋土擋墻工程實(shí)踐方面，何光春等[6]結(jié)合重慶某濱江路高大加筋土擋墻的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，應(yīng)用改進(jìn)的有限元計(jì)算方法和強(qiáng)度折減理論對(duì)高大加筋土結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估分析；周亦濤等[7]針對(duì)庫(kù)區(qū)公路陡邊坡上的加筋土擋墻特殊性、承載力低還有可能發(fā)生滑塌等問(wèn)題，采用新型抗滑樁式加筋土復(fù)合擋墻加以解決，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果良好。

加筋格賓構(gòu)件組成見(jiàn)圖1。加筋格賓擋墻系統(tǒng)與預(yù)制塊面板系統(tǒng)和金屬面板加筋土系統(tǒng)相比，具有如下獨(dú)到之處：①格賓網(wǎng)箱面板和加筋網(wǎng)材是無(wú)縫連接，避免了筋材和面板連接點(diǎn)易成為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的不足；②格賓面板具有優(yōu)良的自排水性能，節(jié)省排水設(shè)施的費(fèi)用，還可以規(guī)避整個(gè)結(jié)構(gòu)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)；③格賓面板屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的可植被性，真正做到結(jié)構(gòu)與周圍自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一；④根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的巖土狀況和工程特點(diǎn)，加筋材料可以選擇金屬網(wǎng)片和土工格柵。

1 加筋格賓擋土墻設(shè)計(jì)原理

邊坡填土在自重或外荷載作用下易變形或倒塌，加筋格賓擋土墻是利用拉筋網(wǎng)面與土的摩擦作用，改善土體變形條件和提高土體抗剪強(qiáng)度。土中沿應(yīng)變方向埋置筋材，筋土間產(chǎn)生摩擦，加筋土猶如具有了某種程度的黏著性，改良了土的力學(xué)特性。其力學(xué)原理類似于鋼筋混凝土，筋-土相互作用的力學(xué)原理見(jiàn)圖2。

圖2 加筋格賓中筋-土相互作用原理圖

2 加筋格賓擋土墻系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)

加筋格賓擋土墻系統(tǒng)由邊坡填料、在填料中布置的六邊形雙絞合鋼絲拉筋網(wǎng)面、土工格柵、面墻格賓箱體及箱體填充石料等幾部分組成。

2.1 典型斷面及地質(zhì)資料

依托G353國(guó)道宜春境內(nèi)路段，該項(xiàng)目為山嶺重丘區(qū)二級(jí)公路，路線全長(zhǎng)12.566 km，設(shè)計(jì)車速40 km/h，路基寬10 m，路面寬8.5 m。選取的典型斷面地質(zhì)資料見(jiàn)表1。外部荷載為10.5 kPa，不考慮地震荷載，斷面示意見(jiàn)圖3。

表1 地質(zhì)參數(shù)

圖3 路肩式加筋格賓擋墻斷面圖

2.2 六角形雙絞合金屬網(wǎng)的長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度

六角形雙絞合金屬網(wǎng)的長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度(60年)，按式(1)計(jì)算

(1)

式中：Tc為六角形雙絞合金屬網(wǎng)的極限抗拉強(qiáng)度；fm為考慮制造工藝誤差及大量數(shù)據(jù)推演的折減系數(shù)，本項(xiàng)目取1.04；fd為施工損傷折減系數(shù)，本項(xiàng)目取砂性土1.05，碎石土1.165；fc為環(huán)境影響折減系數(shù)(考慮老化，生物降解，腐蝕等因素)，根據(jù)填土pH值，本項(xiàng)目取1.05。

根據(jù)歐標(biāo)EN10223-3 2013第9.3節(jié)描述的測(cè)試程序，在拉伸實(shí)驗(yàn)中得到網(wǎng)面型號(hào)為8×10，網(wǎng)面鋼絲直徑為2.7 mm的雙絞合網(wǎng)片，極限抗拉強(qiáng)度的最小值

Tc=50 kN/m

(2)

式中不考慮鍍層和PVC外套對(duì)網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

綜上所述，六邊形雙絞合金屬網(wǎng)綜合折減系

數(shù)及長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 綜合折減系數(shù)及長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度

2.3 土工格柵長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度

格柵長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度的長(zhǎng)期耐久折減系數(shù)可根據(jù)相關(guān)材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)獲得，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路局《加筋土擋墻和邊坡設(shè)計(jì)和施工指南》，土工格柵的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)強(qiáng)度通過(guò)式(3)得到

Tallow=Tult/RF

RF=RFCR×RFID×RFD

(3)

式中：Tallow為長(zhǎng)期設(shè)計(jì)強(qiáng)度；Tult為極限抗拉強(qiáng)度；RF為折減系數(shù)；RFID為施工損傷折減系數(shù)；RFCR為蠕變折減系數(shù)；RFD為生物化學(xué)影響折減系數(shù)。

土工格柵各折減系數(shù)及長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度要求見(jiàn)表3。

表3 高韌性聚酯紗線集束格柵100型物理參數(shù)

2.4 筋-土相互作用系數(shù)

六角形雙絞合金屬網(wǎng)-土相互作用系數(shù)通過(guò)抗拔試驗(yàn)確定，對(duì)于六角形雙絞合網(wǎng)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)可供遵循的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可以參考土工格柵抗拔試驗(yàn)方法確定。根據(jù)國(guó)外的相關(guān)的研究成果，建議針對(duì)不同土質(zhì)條件選用相應(yīng)的相互作用系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 筋-土相互作用系數(shù)

3 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.1 內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算

加筋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性包括兩部分內(nèi)容：①單根筋帶的抗拉計(jì)算，在布置筋材時(shí)先根據(jù)手算計(jì)算結(jié)果初步確定筋材的強(qiáng)度及間距；②基于條分法計(jì)算原理并考慮筋材作用，計(jì)算每個(gè)加筋結(jié)構(gòu)塊體的內(nèi)部整體穩(wěn)定性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化筋材布置，如筋材強(qiáng)度、間距、長(zhǎng)度等，使筋材的布置更加均衡，此部分計(jì)算量繁重，可采用軟件進(jìn)行計(jì)算。

內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法，通過(guò)軟件搜索最不利滑面，這些計(jì)算滑面中近似包含了0.3H折線破裂面和朗肯破裂面。

將伸入滑弧后面的筋帶長(zhǎng)度產(chǎn)生的摩阻力、滑弧前面筋帶長(zhǎng)度所產(chǎn)生的的摩阻力和筋帶的抗拉強(qiáng)度三者的小值對(duì)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。

(4)

式中：ci為第i條塊滑動(dòng)面處的黏聚力，kPa；φi為第i條塊滑動(dòng)面處的內(nèi)摩擦角，(°)；bi為第i條塊滑動(dòng)面處的弧長(zhǎng)，m；Wi為第i條塊自重及其荷載重，kN；αi為第i條塊滑動(dòng)弧的法線與豎直線的夾角，(°)；Pj為穿過(guò)破裂面的第j道筋帶的抗拔力，kN；θj為穿過(guò)破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，(°)。

采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析計(jì)算繁瑣，故采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果及模型見(jiàn)圖4。

圖4 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

3.2 外部穩(wěn)定性計(jì)算

加筋土擋土墻的外部穩(wěn)定性分析中視加筋體為剛體，其分析項(xiàng)目包括：土壓力計(jì)算、基底滑移驗(yàn)算、傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、基礎(chǔ)底面地基承載力驗(yàn)算。

土壓力計(jì)算方法采用庫(kù)爾曼圖解法，它是以庫(kù)倫理論為基礎(chǔ)的一種確定土壓力的圖解方法。它的基本原理是假定多個(gè)不同的破裂滑動(dòng)面，利用相應(yīng)的滑動(dòng)土楔體上力的平衡條件，畫(huà)出力多邊形，求土壓力。

基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：∑N為豎向力總和，kN；∑T為水平力總和，kN；μ為基底摩擦系數(shù)，μ=tanφf(shuō)(φf(shuō)取地基土內(nèi)摩擦角和結(jié)構(gòu)填土內(nèi)摩擦角中的較小值)。

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)按式(6)計(jì)算

(6)

式中：∑My為穩(wěn)定力系對(duì)加筋體墻趾的力矩，kN·m；∑Mo為傾覆力系對(duì)加筋體墻趾的力矩，kN·m。

地基承載力驗(yàn)算主要是計(jì)算加筋土所需等效基底壓力。σv等效基底壓力計(jì)算采用梅耶霍夫分布，即當(dāng)考慮加筋體后填土土壓力影響時(shí)，用B-2e代替拉筋長(zhǎng)度B，假定在B-2e的長(zhǎng)度上豎向應(yīng)力均勻，此時(shí)

(7)

(8)

加筋格賓正常工況外部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及模型見(jiàn)圖5。

圖5 外部穩(wěn)定性分析

加筋格賓正常工況外部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，并可以求出安全系數(shù)與規(guī)范值對(duì)比。

表5 外部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

在進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析時(shí)，一般采用簡(jiǎn)化畢肖普法和簡(jiǎn)化簡(jiǎn)布法。畢肖普法僅適用于圓弧滑動(dòng)面，滑動(dòng)面形狀由于受到夾層或硬層的影響呈非圓弧的形狀，則采用簡(jiǎn)布折線法進(jìn)行分析。

本項(xiàng)目地基土及墻后填土都較均勻，所以采用的是簡(jiǎn)化畢肖普法。計(jì)算結(jié)果及模型見(jiàn)圖6。

圖6 整體穩(wěn)定性分析

4 結(jié)論

1) 內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)滑動(dòng)面貫穿山坡土體時(shí)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值為1.798，當(dāng)滑動(dòng)面僅貫穿加筋土填料區(qū)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值為2.048，均大于公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定值1.25。

2) 外部穩(wěn)定計(jì)算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值為2.213，大于公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定值1.3；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值為2.721，大于規(guī)范規(guī)定值1.5；擋墻最大壓應(yīng)力263 kPa，地基承載力宜不小于300 kPa。

3) 采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算整體穩(wěn)定性，圓弧滑動(dòng)面的整體安全系數(shù)為1.453，大于規(guī)范規(guī)定值1.25。

4) 通過(guò)計(jì)算分析，加筋格賓擋墻穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。