（國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 福建福州350013）

0 引言

我國采用加筋土技術(shù)的歷史久遠［1］，古時人們修筑墻體與房屋時，就已在土體內(nèi)部摻入稻桿等材料提高墻體的穩(wěn)定性與耐久性。我國第1座加筋土擋墻儲煤倉于1979年建設(shè)完成，自1991年開始，頒布了加筋土技術(shù)相關(guān)規(guī)范，極大地推動了我國加筋土技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。土工復(fù)合材料已被廣泛運用到交通、市政、民建等領(lǐng)域的邊坡支護工程中。相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土擋墻，加筋土擋墻具有造價低、施工方便、工期短等優(yōu)點。在電力行業(yè)中，變電站主要采用傳統(tǒng)漿砌片石與鋼筋混凝土擋墻進行邊坡支護，已有部分變電工程采用加筋土擋墻，但數(shù)量相對較少。

國內(nèi)外已有諸多學者針對加筋土擋墻的相關(guān)課題進行研究，本文對加筋土擋墻的加固機理、破壞形式等研究展開綜述，并結(jié)合變電站工程的特點，簡述加筋土擋墻在變電工程中的應(yīng)用。

1 加筋材料

隨著近年來材料合成技術(shù)的發(fā)展，新型加筋材料層出不窮，種類日趨豐富，加筋結(jié)構(gòu)材料主要可分為土工織物、土工拉筋帶、土工格柵等。

土工織物是將絲材、紗材按有序或無序的方式排列連接而成，具有重量輕、整體連續(xù)性好、抗拉強度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于隔離、過濾和水土保持等方面。土工拉筋帶是采用擠壓、上涂料等工藝制成，具有拉力大、壽命長、施工便捷等特性，廣泛應(yīng)用于公路路基、碼頭護岸等工程。土工格柵是以聚丙烯等其它高分子聚合物為原料，經(jīng)熱熔、擠出拉伸等工藝生產(chǎn)而成，是一種具有較高強度的平面網(wǎng)狀材料。

2 加筋土加固機理簡述

解釋加筋土加固機理的理論較多［2-3］，主要可分為摩擦加筋原理、準粘聚力原理、均質(zhì)等代材料原理以及等效圍壓原理等。目前采用較多的理論為摩擦加筋原理與準粘聚力原理。

2.1 摩擦加筋原理

加筋土擋墻中筋材呈水平條狀鋪設(shè)，選取一段微元體dl進行受力分析（如圖1所示）。邊坡在受自重或坡頂荷載作用時，坡頂靠山側(cè)會產(chǎn)生潛在弧形破裂面，上部土體沿弧形破裂面產(chǎn)生向臨空側(cè)位移的趨勢。假設(shè)此時微元體左側(cè)受到向左拉力T1，向右拉力T2，所受土體的合壓力為N，摩擦系數(shù)為f。筋土所受合拉力dT=T1-T2，摩擦合力F=Nf，若F≥dT則筋土的摩擦阻力克服了筋土相對位移，從而使微元體保持穩(wěn)定。摩擦加筋原理認為加筋土擋墻中的筋材產(chǎn)生拉力與筋土摩擦力相平衡，筋土摩擦阻力能夠有效阻止破裂面發(fā)展與填筑過程中的土體滑移，提高了邊坡的安全系數(shù)。

2.2 準粘聚力原理

經(jīng)典瑞典條分法計算簡圖如圖2所示，定義安全系數(shù)為抗滑力矩與滑動力矩的比值，基于圓弧滑動面假定推導(dǎo)可得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)表達式（公式1）。根據(jù)其穩(wěn)定安全系數(shù)表達式可看出，在土條劃分方式、重度不變的情況下，土體的抗剪強度越大，則邊坡安全系數(shù)K越大。

可通過三軸壓縮實驗獲得加筋土與原土體的抗剪強度特性［3］。通過試驗結(jié)果可知加筋土與原土的內(nèi)摩擦角值近乎相等，粘聚力較原土增大了△c。加筋材料的抗拉、抗剪強度遠大于土體，與土體結(jié)合形成非均質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)抵抗外部荷載共同抵抗變形。準粘聚力原理認為，筋材敷設(shè)于土體中使原土體的粘聚力提高了“粘聚力△c”，此粘聚力并非土體本身自帶，而是由于加筋土附帶的，因此稱之為“準粘聚力”。土體的抗剪強度提升，在邊坡穩(wěn)定性分析中提高了邊坡抗滑力與抗滑力矩，進而顯著增強了邊坡的穩(wěn)定性。

3 加筋土擋墻主要破壞形式

加筋土擋墻的破壞形式［4］主要包括外部穩(wěn)定性破壞與內(nèi)部穩(wěn)定性破壞，筆者對加筋土擋墻破壞形式與成因等進行綜述。

3.1 外部穩(wěn)定性破壞

加筋土擋墻的外部穩(wěn)定性破壞可類比傳統(tǒng)鋼筋混凝土剛性擋墻。筋材敷設(shè)后，可將邊坡加筋區(qū)域整體視為剛性結(jié)構(gòu)體。在加筋土擋墻施工階段與正常使用狀態(tài)時，可能會產(chǎn)生外部穩(wěn)定性破壞，外部穩(wěn)定性破壞具體表現(xiàn)為：整體傾覆破壞、地基破壞、加筋土平移滑動以及擋墻整體滑動破壞。

擋墻較高、基礎(chǔ)較深且筋材鋪設(shè)長度不足時，加筋土體將繞坡腳產(chǎn)生轉(zhuǎn)動位移導(dǎo)致傾覆破壞；筋材能夠較好地抵抗邊坡填筑時產(chǎn)生的水平側(cè)移，但基本無法抵抗豎向不均勻沉降，加筋土擋墻局部承載力不足時，坡底面會產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致地基基礎(chǔ)破壞；地基與加筋體底部摩擦力和粘聚力不足時會產(chǎn)生平面滑動破壞；加筋土邊坡下埋軟弱下臥層或基礎(chǔ)埋深不足時，在加筋土自重和坡頂荷載作用下，會產(chǎn)生擋墻整體滑動破壞。

3.2 內(nèi)部穩(wěn)定性破壞

除外部穩(wěn)定性破壞外，加筋土擋墻還會產(chǎn)生內(nèi)部穩(wěn)定性破壞。內(nèi)部破壞形式主要包括：筋材拉斷、筋材拔出以及擋墻面板結(jié)構(gòu)破壞。

筋材拉斷的主要原因大致為3種：①選用筋材抗拉強度不滿足要求，筋材承受拉力大于或等于本身承載能力；②未充分考慮土體中的腐蝕物質(zhì)等，筋材經(jīng)腐蝕承載能力下降導(dǎo)致無法繼續(xù)承載；③筋材的蠕變強度不足，長期敷設(shè)于土中導(dǎo)致其抗剪強度降低，不再滿足承載要求。

筋材被拔出的主要原因大致為2種：①填土未充分碾壓密實度不足，筋土未充分接觸導(dǎo)致筋材與填土體之間摩擦阻力不足，筋材未能充分發(fā)揮其作用；②筋材敷設(shè)長度過短，填方施工時產(chǎn)生水平側(cè)移使筋材整體拔出土體。

擋墻面板結(jié)構(gòu)破壞主要包含3種形式：①擋墻面板外傾變形主要發(fā)生在整體式擋墻面板中，最大水平位移一般出現(xiàn)在擋墻頂部；②擋墻面板采用預(yù)制混凝土面板時會產(chǎn)生局部外凸，其最大水平位移一般出現(xiàn)在擋墻中部附近；③由于擋墻剛度不足引起擋墻無法承受邊坡土壓力，產(chǎn)生了整體向臨空側(cè)移動。

4 加筋土擋墻的設(shè)計與穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

目前針對加筋土擋墻設(shè)計與穩(wěn)定性驗算的研究較多，筆者首先簡述加筋土擋墻的設(shè)計與驗算流程，然后針對加筋土擋墻設(shè)計與穩(wěn)定性研究進行綜述。

4.1 加筋土擋墻設(shè)計流程

首先應(yīng)確定加筋土擋墻的工程條件，包括幾何特征、荷載條件、穩(wěn)定性要求以及變形標準；確定巖土參數(shù)，主要包含地基土與加筋土設(shè)計參數(shù)；確定加筋土擋墻基礎(chǔ)埋置深度與筋材最小長度；進行外部穩(wěn)定性分析，主要包含墻體背部土壓力計算、抗滑穩(wěn)定性驗算、抗傾覆穩(wěn)定性驗算等；進行內(nèi)部穩(wěn)定性分析，包含墻面背部側(cè)向土壓力系數(shù)分析、潛在破裂面形狀分析、荷載作用時的穩(wěn)定性分析等；變形估算；墻面板設(shè)計；排水系統(tǒng)設(shè)計。

4.2 研究現(xiàn)狀

近年來，已有諸多學者針對加筋土擋墻設(shè)計與加筋土擋墻邊坡穩(wěn)定性進行了深入研究。

石安寧［5］分別采用中國、美國以及英國規(guī)范對加筋土擋墻進行設(shè)計驗算，通過土壓力、筋材強度、抗拔穩(wěn)定性以及水平抗滑移穩(wěn)定性對比，為加筋土擋墻設(shè)計與驗算提供建議。劉華北等［6］分別采用主動土壓力理論、K剛度法、極限平衡方法以及E-M法對加筋土擋墻的內(nèi)力進行計算，分析總結(jié)了各方法計算的優(yōu)劣性。針對加筋土擋墻設(shè)計，目前采用較多的方法為將傳統(tǒng)理論分析與敏感性分析相結(jié)合，對加筋土擋墻中的重要設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。

邊坡穩(wěn)定性問題是工程界的熱點問題，常用的研究方法主要包含理論解析、數(shù)值模擬以及模型試驗等。

在理論解析方面，傳統(tǒng)條分法無法考慮加筋作用，馬學寧等［7］基于瑞典條分法與簡布法的假設(shè)條件，重新推導(dǎo)了考慮加筋作用的兩種安全系數(shù)計算公式。楊長衛(wèi)等［8］基于水平條分法與彈性波動理論建立了平衡微分方程，通過希爾伯特變換提出了加筋土擋墻的地震時頻分析法，研究了地震時加筋土擋墻的穩(wěn)定性問題。

模型試驗是采用較多的研究手段，諸多學者采用相似定律，建立縮尺模型進行試驗研究。陳建峰等［9］進行了4種不同墻趾約束條件下的離心模型試驗，發(fā)現(xiàn)模塊式加筋土擋墻墻趾約束條件對內(nèi)部穩(wěn)定性影響顯著。介玉新等［10］針對多級加筋土邊坡進行了離心試驗，研究發(fā)現(xiàn)由于筋材的約束作用能夠明顯提升邊坡的穩(wěn)定性，且最下平臺位置相對隆起趨勢有所減弱。

近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值分析軟件層出不窮，數(shù)值模擬方法已成為了一種主流的研究手段。

陳建峰等［11］利用Flac3D數(shù)值模擬軟件建立了模塊化加筋土擋墻模型，模擬了加筋土擋墻施工全過程，研究模塊化加筋土擋墻的筋材應(yīng)變、墻面相對水平位移等變化規(guī)律。朱湘等［12］利用有限元數(shù)值分析軟件對加筋土路堤進行數(shù)值模擬，利用有限元法研究了路堤施工參數(shù)軟土層厚度、地基強度以及施工速度等對加筋效果的影響。

在邊坡穩(wěn)定性方面，眾多學者采用理論解析、數(shù)值模擬以及實驗分析等方法進行研究，可獲得加筋土擋墻邊坡的位移、內(nèi)力、滑動面等特征規(guī)律，為邊坡工程設(shè)計、施工等提供建議。

5 加筋土擋墻在電力行業(yè)的應(yīng)用

加筋土擋墻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于市政、交通等領(lǐng)域，但在變電工程中的應(yīng)用與研究仍然相對較少。變電工程是國家重要的基建工程，近年來城市內(nèi)部變電工程已趨于完善，電力建設(shè)已逐漸向偏遠山區(qū)轉(zhuǎn)移。

5.1 變電工程特點

相較于市政、交通等領(lǐng)域，變電工程邊坡、擋墻具有其特殊性：變電站場地分區(qū)明確緊湊，征地范圍有限，通常無法形成大放坡情況；站區(qū)周邊邊坡、擋墻與變電站內(nèi)構(gòu)支架、設(shè)備、建構(gòu)筑物基礎(chǔ)間距??；邊坡?lián)鯄σ话阈枰揽考扔衅麦w地形修建。

目前，變電站場區(qū)周邊采用較多的為傳統(tǒng)的重力式、衡重式、懸臂式等形式的擋墻，常用材料為漿砌片石與鋼筋混凝土。隨著場區(qū)內(nèi)外高差的增大，擋土墻截面也需相應(yīng)增大，采用傳統(tǒng)擋土墻難免造成工程體量大、經(jīng)濟性差以及施工進度緩慢等缺點。結(jié)合變電站工程擋墻與現(xiàn)有加筋土擋墻的工程特點，考慮可采用土工格柵式加筋土擋墻。土工格柵屬柔性支護結(jié)構(gòu)，能將應(yīng)力均勻分布于各個方向。在正常使用階段，土工格柵擋墻具有良好的蠕變強度，能夠很好地保持邊坡穩(wěn)定性，且相較于土工織物類加筋材料具有更較好的耐摩性，且通常造價較低。

5.2 加筋土擋墻在變電站工程的應(yīng)用

目前，土工格柵式加筋土擋墻已在變電站工程中獲得應(yīng)用，并取得較好的效果。

黃滿華［13］以廣東某變電站為例，通過計算分析可知土工格柵比放坡、卸荷板擋土墻、樁板墻等更具優(yōu)勢。付詩禧［14］采用準粘聚力原理簡述了土工格柵的作用機理，并詳細描述了加筋土擋墻邊坡基底的要求、變電工程中加筋土擋墻的施工流程與工藝等，為加筋土擋墻在變電工程中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。武萍等［15］在工程設(shè)計中引入新型的生態(tài)式土工格柵擋土墻，在經(jīng)濟、技術(shù)方面與不同類型的擋土墻進行對比，發(fā)現(xiàn)加筋土擋墻基礎(chǔ)處理簡單、造價明顯低于傳統(tǒng)擋土墻，進一步驗證了土工格柵加筋土擋墻的優(yōu)越性。

加筋技術(shù)的發(fā)展為其在變電工程中的應(yīng)用創(chuàng)造了可能。在變電工程中，采用加筋土擋墻應(yīng)當充分考慮場地、技術(shù)、經(jīng)濟等因素：充分考慮當?shù)氐牡匦蔚孛?、地質(zhì)條件，做到“因地制宜”；在設(shè)計階段，充分掌握筋材的設(shè)計強度、蠕變強度等材料特性，正確選擇加筋材料；在施工階段，應(yīng)嚴格控制填土質(zhì)量、密實度等工程指標，確保工程質(zhì)量；在經(jīng)濟方面，保證安全的條件下針對加筋土擋墻進行選型與優(yōu)化，充分體現(xiàn)加筋土擋墻的經(jīng)濟優(yōu)越性。

6 結(jié)論

本文介紹了常見加筋材料種類、加固機理以及加筋土擋墻的破壞形式，針對加筋土擋墻的設(shè)計與穩(wěn)定性研究展開綜述。

結(jié)合變電站工程與加筋土擋墻工程特性，認為采用土工格柵式加筋土擋墻能夠較好地適用于變電工程建設(shè)，且土工格柵已在變電站工程中獲得運用且具有初步成效。目前，針對加筋土擋墻在變電工程的研究仍相對較少。中國地域廣袤且各地區(qū)巖土地質(zhì)情況各有差異，應(yīng)當充分結(jié)合我國各地域的地質(zhì)特點，設(shè)計、建造出符合當?shù)貐^(qū)域特點的加筋土擋墻。