戴征杰，褚景英，陳麗麗，王旭龍

(青島旭域土工材料股份有限公司，山東青島 266111)

1 研究背景

加筋土擋墻以其對(duì)地基變形的良好適應(yīng)性，可就地取材、良好的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，單級(jí)加筋土擋墻均不高，一般在12m以下。從保證穩(wěn)定性的角度考慮，規(guī)范對(duì)單級(jí)加筋土擋墻的墻高也作出了明確的規(guī)定。然而在特殊地形條件下，加筋土高擋墻在工程中的應(yīng)用越來(lái)越多。對(duì)超過(guò)12m的高擋墻，工程上多采用分級(jí)形式，這樣可較好地調(diào)整墻面的水平變形、減少墻面板對(duì)地基的應(yīng)力，并便于施工操作［1］。

臺(tái)階式加筋擋墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用越來(lái)越廣泛。根據(jù)FHWA文件，D≤(H1+H2)/20時(shí)，臺(tái)階式擋墻作為一整體進(jìn)行驗(yàn)算;當(dāng)(H1+H2)/20＜D≤H2tan(90°－Φr)時(shí)，在下墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把上墻作為超載進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)D＞H2tan(90°－Φr)時(shí)，上下墻單獨(dú)設(shè)計(jì)，互不作用［2－3］。式中:D為平臺(tái)寬度;H1為上墻高度;H2為下墻高度;Φr為加筋擋墻填料的內(nèi)摩擦角。

本文以MSEW3.0設(shè)計(jì)軟件為工具，對(duì)雙級(jí)臺(tái)階式加筋擋墻不同平臺(tái)寬度、上下墻高度的變化以及采用綜合坡率法等幾種工況下的加筋土擋墻的穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行匯總，對(duì)比分析所需的筋材最小長(zhǎng)度和最小強(qiáng)度變化，同時(shí)對(duì)比不同工況條件下計(jì)算穩(wěn)定所需筋材最小用量，用以評(píng)估較為經(jīng)濟(jì)的筋材布置形式。

2 平臺(tái)寬度變化對(duì)加筋的影響

以高度為20m的土工格柵加筋擋墻為例，通過(guò)變化上下墻間預(yù)留的平臺(tái)寬度對(duì)比分析其對(duì)加筋的影響。

2.1 對(duì)筋材長(zhǎng)度的影響

圖1 不同平臺(tái)寬度計(jì)算所需的底層格柵長(zhǎng)度Fig.1 Geogrid length required at the bottom layer in the presence of different step widths for the computation

上下墻間的預(yù)留平臺(tái)寬度為1m時(shí)，計(jì)算所需下墻底層土工格柵的最小鋪設(shè)長(zhǎng)度為11.87 m，上墻頂部所需土工格柵的最小鋪設(shè)長(zhǎng)度為11.37 m。隨著平臺(tái)寬度的增大，下墻所需土工格柵的鋪設(shè)長(zhǎng)度逐漸增加(如圖1所示)，上墻所需土工格柵的鋪設(shè)長(zhǎng)度逐漸減小，土工格柵的最小鋪設(shè)長(zhǎng)度出現(xiàn)在上墻中下部位置。

隨著平臺(tái)寬度的增大，作用于基底的豎向力的代數(shù)和ΣV逐漸減小，為保證加筋擋墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)K為抗滑動(dòng)穩(wěn)定安全s系數(shù);μ為基底與地基間的摩擦因數(shù);∑V為作用于基底的總豎向力;ΣH為作用于基底的總水平力)滿(mǎn)足要求，設(shè)計(jì)需要的底層土工格柵長(zhǎng)度逐漸增大。

2.2 對(duì)地基承載力的影響

隨著上下墻間預(yù)留平臺(tái)寬度的增大，計(jì)算所要求的梅耶霍夫地基應(yīng)力逐漸減小，由平臺(tái)寬度1m時(shí)的537kPa減小到平臺(tái)寬度17 m時(shí)的242.49kPa。式中:σv為梅耶霍夫地基應(yīng)力;ΣV為作用于基底的總豎向力;L為底層格柵的長(zhǎng)度;e為基底合力的偏心距。

2.3 對(duì)整體穩(wěn)定性的影響

臺(tái)階式加筋擋墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著預(yù)留平臺(tái)寬度的增大逐漸增大，由平臺(tái)寬度1m時(shí)的整體穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.488提高到平臺(tái)寬度6m時(shí)的最小安全系數(shù)1.958。

2.4 對(duì)筋材數(shù)量的影響

當(dāng)平臺(tái)寬度1m時(shí)計(jì)算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為451.54m2，隨著平臺(tái)寬度逐漸增大到4m，計(jì)算所需土工格柵筋材數(shù)量減少到441.45m2。但是隨著平臺(tái)寬度的繼續(xù)增大，計(jì)算所需土工格柵筋材的數(shù)量逐漸增加，由平臺(tái)寬度4m時(shí)的441.45m2增加到平臺(tái)寬度17 m 時(shí)的637.77 m2。

圖2將不同平臺(tái)寬度計(jì)算所需的筋材用量進(jìn)行匯總，由此可以看出，在該算例中，當(dāng)平臺(tái)寬度為4m時(shí)，加筋擋墻計(jì)算所需的筋材用量最少。

圖2 不同平臺(tái)寬度計(jì)算所需的筋材用量Fig.2 Quantity of reinforcement material required in the presence of different step widths for the computation

2.5 對(duì)筋材強(qiáng)度的影響

上下墻間預(yù)留平臺(tái)寬度由1m增加到6m的過(guò)程中，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度不受平臺(tái)寬度的影響，數(shù)值無(wú)明顯變化。但是隨著平臺(tái)寬度的繼續(xù)增大，下墻土工格柵所需的強(qiáng)度逐漸減小，上墻土工格柵所需的強(qiáng)度數(shù)值無(wú)明顯變化。

3 上、下墻高度變化對(duì)加筋的影響

計(jì)算以總高度為20m、上下墻間平臺(tái)寬度為2m的土工格柵加筋擋墻為例，通過(guò)臺(tái)階式加筋擋墻的上、下墻高度的變化，分析其對(duì)筋材布置的影響。

3.1 對(duì)筋材長(zhǎng)度的影響

由驗(yàn)算結(jié)果可以看出，當(dāng)上墻高度由8 m增加到12m時(shí)，下墻計(jì)算所需的土工格柵最小長(zhǎng)度逐漸增大，而上墻計(jì)算所需的土工格柵長(zhǎng)度逐漸減小，但長(zhǎng)度變化幅度不大。

3.2 對(duì)地基承載力的影響

隨著上墻高度的增加，計(jì)算所需的地基承載力也逐漸減小。由上墻高度8 m時(shí)的502kPa減小到上墻高度12m時(shí)的461kPa。

3.3 對(duì)筋材用量的影響

當(dāng)上墻高度8 m時(shí)，計(jì)算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為447.5m2，隨著上墻高度逐漸增大到12m，計(jì)算所需土工格柵筋材數(shù)量減少到443.33 m2。土工格柵筋材的用量隨著上墻高度的加大而減小。

3.4 對(duì)筋材強(qiáng)度的影響

上下墻高度變化的過(guò)程中，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度數(shù)值無(wú)明顯變化。

4 臺(tái)階式擋墻和采用綜合坡率單級(jí)擋墻的加筋對(duì)比

計(jì)算以1～6m不同平臺(tái)寬度的臺(tái)階式加筋擋墻和對(duì)應(yīng)的綜合坡率單級(jí)加筋擋墻(以臺(tái)階式加筋擋墻的上墻頂端和下墻坡腳連線與水平面夾角為坡角的單級(jí)加筋擋墻)為例，通過(guò)穩(wěn)定驗(yàn)算對(duì)2種形式加筋擋墻的筋材布置進(jìn)行對(duì)比。

4.1 筋材數(shù)量的對(duì)比

平臺(tái)寬度為1m的臺(tái)階式加筋擋墻，計(jì)算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為451.54m2。對(duì)應(yīng)的綜合坡率單級(jí)加筋擋墻計(jì)算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為449.2m2。圖3對(duì)比了1～6m的不同平臺(tái)寬度臺(tái)階式加筋擋墻和對(duì)應(yīng)的綜合坡率單級(jí)加筋擋墻筋材用量。由此可以看出，綜合坡率單級(jí)加筋擋墻比對(duì)應(yīng)的臺(tái)階式加筋擋墻所需的每延米土工格柵筋材的用量少，而且隨著平臺(tái)寬度的增加，采用綜合坡率單級(jí)加筋擋墻的土工格柵筋材節(jié)省量顯著增加。

圖3 臺(tái)階式加筋擋墻和對(duì)應(yīng)的綜合坡率加筋擋墻計(jì)算所需的筋材用量對(duì)比Fig.3 Comparison of reinforcement material quantity between the computations in the cases of tiered retaining wall and single-step retaining wall with a corresponding comprehensive slope ratio

4.2 所需筋材強(qiáng)度的對(duì)比

平臺(tái)寬度為1，2，3 m的臺(tái)階式加筋擋墻和對(duì)應(yīng)的綜合坡率單級(jí)加筋擋墻相比，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度無(wú)明顯變化。但是隨著平臺(tái)寬度的繼續(xù)增大，計(jì)算所需的每層土工格柵的最小強(qiáng)度逐漸減小。

4.3 地基承載力的對(duì)比

由驗(yàn)算結(jié)果可知，1～6m平臺(tái)寬度的臺(tái)階式加筋擋墻和對(duì)應(yīng)的綜合坡率單級(jí)加筋擋墻計(jì)算所需的地基承載力值基本相同。

5 結(jié)語(yǔ)

采用加筋擋墻設(shè)計(jì)軟件MSEW 3.0，對(duì)臺(tái)階式加筋擋墻不同平臺(tái)寬度等的加筋土擋墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)比分析計(jì)算所需筋材長(zhǎng)度和所需筋材強(qiáng)度的變化以及不同邊界條件時(shí)所需土工格柵筋材用量的不同。通過(guò)以上算例的分析，初步得出以下結(jié)論:

(1)隨平臺(tái)寬度的增大，下墻所需土工格柵的鋪設(shè)長(zhǎng)度逐漸增加，上墻所需土工格柵的鋪設(shè)長(zhǎng)度逐漸減小，土工格柵的最小鋪設(shè)長(zhǎng)度出現(xiàn)在上墻中下部位置。

(2)隨平臺(tái)寬度的增大，計(jì)算所要求的地基承載力值逐漸減小。

(3)一定范圍內(nèi)，隨平臺(tái)寬度的增大，計(jì)算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量逐漸減少;但是隨著平臺(tái)寬度的繼續(xù)增大，計(jì)算所需土工格柵筋材的數(shù)量逐漸增加。

(4)土工格柵筋材的用量隨上墻高度的增大而減少。

(5)綜合坡率單級(jí)加筋擋墻比對(duì)應(yīng)的臺(tái)階式加筋擋墻所需的每延米土工格柵筋材的數(shù)量少，而且隨著平臺(tái)寬度的增加，采用綜合坡率單級(jí)加筋擋墻的土工格柵筋材節(jié)省量顯著增加。

致謝:感謝石家莊鐵道大學(xué)楊廣慶老師在本文寫(xiě)作過(guò)程中給予的指導(dǎo)。

［1］楊廣慶，蔡 英.多級(jí)臺(tái)階式加筋土擋土墻試驗(yàn)研究［J］.巖土工程報(bào)，2000，22(2):254－257.(YANG Guang-qing，CAI Ying.Study on the Multi-steps Reinforced Earth Retaining Wall［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(2):254－257.(in Chinese))

［2］FHWA-NHI-00043，Mechanically Stabilized Earth Wall and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines［S］.Wahington，D.C:U.S.Department of Transportation and Federal Highway Administration，2001.

［3］凌天清.中國(guó)高速公路第一高墻的設(shè)計(jì)回顧［C］∥第二屆全國(guó)土工合成材料加筋土學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009:89－97.(LING Tian-qing.The Design Reviews of the Highest Reinforced Retaining Wall in China Highway［C］∥Proceedings of the 2nd National Geosynthetics Reinforcement Seminar.Beijing:China Railway Publishing House，2009:89－97.(in Chinese))