楊文娟 徐慧杰 朱 俊 劉 琦

(1.江西省交通科學研究院 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構，結合新技術和新材料的應用，在工程實踐中取得了很好的經濟效益而被廣泛應用于公路建設。與傳統(tǒng)擋土墻相比，加筋土擋墻具有降低工程成本，施工簡便等特點[1]。傳統(tǒng)的公路邊坡加固設計主要考慮是邊坡的穩(wěn)定，追求邊坡的強度功效，采用抹面、噴漿、漿砌片石護墻、錨噴護坡等技術保證邊坡穩(wěn)定安全系數。然而隨著巖石的風化和防護材料的老化，其效果會日益衰退；同時，石料或混凝土隔斷了邊坡表面與大地的連接而導致生態(tài)系統(tǒng)失衡，以及土壤污染、視覺污染等。

基于上述現狀，我國對加筋土擋墻設計理論和力學分析進行了一些開發(fā)研究工作。廖紅建等[2]提出了基于統(tǒng)一強度理論和等效附加圍壓理論的加筋土擋墻土壓力計算方法，通過實例進行了實測結果與計算結果的對比分析， 驗證了作用在加筋土擋墻上的實際總土壓力，并建立了三維應力狀態(tài)下的加筋土擋墻土壓力計算公式；徐超等[3]通過筋-土離心模型試驗方法采集了數據，并應用FLAC軟件對有限填土加筋土擋墻進行了數值分析，深入研究了加筋長度、加筋間距，以及墻面與鉛直面的夾角大小對擋墻穩(wěn)定性及破壞模式的影響；張智超等[4]針對山區(qū)斜坡地帶修筑公路加筋土擋墻系統(tǒng)，開發(fā)了適合我國山區(qū)地形特點的微型樁-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特性，修筑了加筋陡坡的室內模型。

同時，在加筋土擋墻工程實踐方面，何光春等[6]結合重慶某濱江路高大加筋土擋墻的現場觀測，應用改進的有限元計算方法和強度折減理論對高大加筋土結構的安全性進行評估分析；周亦濤等[7]針對庫區(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)生滑塌等問題，采用新型抗滑樁式加筋土復合擋墻加以解決，在實際工程中應用效果良好。

加筋格賓構件組成見圖1。加筋格賓擋墻系統(tǒng)與預制塊面板系統(tǒng)和金屬面板加筋土系統(tǒng)相比，具有如下獨到之處：①格賓網箱面板和加筋網材是無縫連接，避免了筋材和面板連接點易成為結構薄弱環(huán)節(jié)的不足；②格賓面板具有優(yōu)良的自排水性能，節(jié)省排水設施的費用，還可以規(guī)避整個結構崩潰的風險；③格賓面板屬于多孔隙結構，具有優(yōu)良的可植被性，真正做到結構與周圍自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一；④根據工程現場的巖土狀況和工程特點，加筋材料可以選擇金屬網片和土工格柵。

1 加筋格賓擋土墻設計原理

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面與土的摩擦作用，改善土體變形條件和提高土體抗剪強度。土中沿應變方向埋置筋材，筋土間產生摩擦，加筋土猶如具有了某種程度的黏著性，改良了土的力學特性。其力學原理類似于鋼筋混凝土，筋-土相互作用的力學原理見圖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)組成及技術參數

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 典型斷面及地質資料

依托G353國道宜春境內路段，該項目為山嶺重丘區(qū)二級公路，路線全長12.566 km，設計車速40 km/h，路基寬10 m，路面寬8.5 m。選取的典型斷面地質資料見表1。外部荷載為10.5 kPa，不考慮地震荷載，斷面示意見圖3。

表1 地質參數

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的長期允許抗拉強度

六角形雙絞合金屬網的長期允許抗拉強度(60年)，按式(1)計算

(1)

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

根據歐標EN10223-3 2013第9.3節(jié)描述的測試程序，在拉伸實驗中得到網面型號為8×10，網面鋼絲直徑為2.7 mm的雙絞合網片，極限抗拉強度的最小值

Tc=50 kN/m

(2)

式中不考慮鍍層和PVC外套對網面抗拉強度的貢獻。

綜上所述，六邊形雙絞合金屬網綜合折減系

數及長期允許抗拉強度見表2。

表2 綜合折減系數及長期允許抗拉強度

2.3 土工格柵長期允許抗拉強度

格柵長期允許抗拉強度的長期耐久折減系數可根據相關材料測試標準獲得，根據美國聯邦公路局《加筋土擋墻和邊坡設計和施工指南》，土工格柵的長期設計強度通過式(3)得到

Tallow=Tult/RF

RF=RFCR×RFID×RFD

(3)

式中：Tallow為長期設計強度；Tult為極限抗拉強度；RF為折減系數；RFID為施工損傷折減系數；RFCR為蠕變折減系數；RFD為生物化學影響折減系數。

土工格柵各折減系數及長期允許抗拉強度要求見表3。

表3 高韌性聚酯紗線集束格柵100型物理參數

2.4 筋-土相互作用系數

六角形雙絞合金屬網-土相互作用系數通過抗拔試驗確定，對于六角形雙絞合網，目前國內尚無可供遵循的試驗標準，可以參考土工格柵抗拔試驗方法確定。根據國外的相關的研究成果，建議針對不同土質條件選用相應的相互作用系數，見表4。

表4 筋-土相互作用系數

3 設計計算分析

3.1 內部穩(wěn)定性計算

加筋土結構的內部穩(wěn)定性包括兩部分內容：①單根筋帶的抗拉計算，在布置筋材時先根據手算計算結果初步確定筋材的強度及間距；②基于條分法計算原理并考慮筋材作用，計算每個加筋結構塊體的內部整體穩(wěn)定性，并根據計算結果優(yōu)化筋材布置，如筋材強度、間距、長度等，使筋材的布置更加均衡，此部分計算量繁重，可采用軟件進行計算。

內部整體穩(wěn)定性分析采用簡化畢肖普法，通過軟件搜索最不利滑面，這些計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度產生的摩阻力、滑弧前面筋帶長度所產生的的摩阻力和筋帶的抗拉強度三者的小值對滑弧圓心取矩，視為穩(wěn)定力矩。考慮加筋單元作用的安全系數如下。

(4)

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

采用簡化畢肖普法進行內部整體穩(wěn)定性分析計算繁瑣，故采用計算機進行。計算結果及模型見圖4。

圖4 內部穩(wěn)定性分析

3.2 外部穩(wěn)定性計算

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

土壓力計算方法采用庫爾曼圖解法，它是以庫倫理論為基礎的一種確定土壓力的圖解方法。它的基本原理是假定多個不同的破裂滑動面，利用相應的滑動土楔體上力的平衡條件，畫出力多邊形，求土壓力。

基底抗滑穩(wěn)定系數按式(5)計算。

(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，μ=tanφf(φf取地基土內摩擦角和結構填土內摩擦角中的較小值)。

抗傾覆穩(wěn)定系數按式(6)計算

(6)

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

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

(7)

(8)

加筋格賓正常工況外部穩(wěn)定性計算結果及模型見圖5。

圖5 外部穩(wěn)定性分析

加筋格賓正常工況外部穩(wěn)定性計算結果見表5，并可以求出安全系數與規(guī)范值對比。

表5 外部穩(wěn)定性計算結果

3.3 整體穩(wěn)定性驗算

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

本項目地基土及墻后填土都較均勻，所以采用的是簡化畢肖普法。計算結果及模型見圖6。

圖6 整體穩(wěn)定性分析

4 結論

1) 內部穩(wěn)定性計算結果表明，當滑動面貫穿山坡土體時穩(wěn)定系數計算值為1.798，當滑動面僅貫穿加筋土填料區(qū)時穩(wěn)定系數計算值為2.048，均大于公路路基設計規(guī)范規(guī)定值1.25。

2) 外部穩(wěn)定計算，抗滑穩(wěn)定安全系數計算值為2.213，大于公路路基設計規(guī)范規(guī)定值1.3；抗傾覆穩(wěn)定安全系數計算值為2.721，大于規(guī)范規(guī)定值1.5；擋墻最大壓應力263 kPa，地基承載力宜不小于300 kPa。

3) 采用簡化畢肖普法計算整體穩(wěn)定性，圓弧滑動面的整體安全系數為1.453，大于規(guī)范規(guī)定值1.25。

4) 通過計算分析，加筋格賓擋墻穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。