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        加筋土擋土墻工作原理及造價分析

        2018-11-01 01:51:08紀新偉中交第三航務工程局有限公司上海200940
        中國房地產(chǎn)業(yè) 2018年20期
        關鍵詞:結構

        文/紀新偉 中交第三航務工程局有限公司 上海 200940

        1、加筋土擋土墻概述

        加筋土擋土墻是一種新型的復合擋土結構,它是由擋土墻的墻面板、拉筋材料和填筑土共同組成的。它是通過填筑材料與拉筋材料之間的相互作用,產(chǎn)生摩擦阻力,從而形成了一個復合的加筋土穩(wěn)定體系,用來抵抗填料土體自重和外部荷載帶來的土壓力。它的作用機理同土釘墻結構比較類似,都是通過土體與就是拉筋材料或土釘材料之間的相互作用產(chǎn)生阻力形成復合支擋結構,拉筋材料與土釘材料均不施加預應力,其工作狀態(tài)皆是被動的,其面板結構厚度較薄、受力較小。不同之處主要有,土釘墻結構主要應用于挖方地段,由挖方邊坡自上而下進行施工,土釘體傾斜一定的角度。加筋土擋土墻結構主要應用于填方地段,填筑材料自下而上分層填筑,加筋條帶一般按分層水平放置。與傳統(tǒng)的重力式擋土墻相比,加筋土擋土墻作為一個柔性的復合結構,對地基承載力適應性遠超過重力式擋墻結構,能更好地滿足抗震需求;同傳統(tǒng)的重力式支檔結構相比,加筋土擋土墻的墻面板結構可提前預制,安裝時可與填筑材料同步施工,這樣大大縮短了施工工期;加筋土擋土墻結構簡單、構造新穎、式樣美觀,擋土墻面板上可以繪制各種圖案,可以根據(jù)周邊環(huán)境和建筑結構的需要,協(xié)調組合進行配套設計,與傳統(tǒng)的其他形式的擋土墻相比,加筋土擋土墻更具有藝術鑒賞力和藝術感染力;加筋土擋土墻的墻面板與地面垂直,這使得填筑材料在施工過程中不考慮放坡,這就大大減少了占地面積,在土地利用方面具有重要意義;加筋土擋土墻與其他結構形式的擋土墻相比,能節(jié)省大量的圬工數(shù)量,經(jīng)濟效益顯著;因此,加筋土擋土墻結構無論在施工工藝和經(jīng)濟效益等多方面,與其他結構形式的擋土墻相比,都具有較明顯的優(yōu)勢。被廣泛地應用于支擋結構和填土的穩(wěn)定體系當中,具體應用在支擋結構、護岸、水工碼頭、堤壩、地下結構、路堤、結構物臺墻等;在工程領域中作為一種新型復合結構,加筋土結構在國際上被譽之為“繼鋼筋混凝土之后,又一項造福人類的新發(fā)明”。

        2、加筋土擋土墻應用的基本原理

        砂性土在不做加筋處理的情況下,土體在自身土重和外部荷載力作用下,產(chǎn)生出的土壓力,很容易導致土體產(chǎn)生嚴重的變形或者坍塌,這是由于砂性土本身的力學特性決定的。如果我們在砂性土中,沿著土體產(chǎn)生應變的方向,分層水平設置具有一定強度和撓度的拉筋材料,那么由于砂性土與拉筋材料之間相互作用,土體與拉筋材料間就產(chǎn)生了摩擦阻力,使得砂性土在加筋后所形成了一個新的復合土體,與原來未加筋的原狀土相比較,該復合土體新產(chǎn)生了某種程度的粘聚性,提高了土體的抗壓強度和抗剪強度,從而使砂性土的力學性質大大改善。這就是加筋土擋土墻應用的基本原理。我們把這些基本原理歸納為兩點進行分析解釋:(1)摩擦加筋原理;(2)粘聚力原理。

        2.1 摩擦加筋原理

        加筋土擋土墻結構中,填筑材料料作為擋土墻結構的主體材料,在自身土重和外部荷載的作用下,產(chǎn)生了作用于擋土墻的墻面板的土壓力,墻面板將此土壓力傳遞給拉筋材料,對拉筋材料產(chǎn)生拉力,企圖將拉筋材料拉出填料土體。但是,由于拉筋材料與填料之間產(chǎn)生的相互作用,填土與拉筋材料之間產(chǎn)生了摩擦阻力,阻止了拉筋材料從填料土體中被拉出。所以,我們選擇了具有足夠的強度和撓度拉筋材料,并且拉筋材料表面有花紋,使拉筋材料表面保持粗糙,拉筋材料與填料土體之間就產(chǎn)生了足夠的摩擦阻力,摩擦阻力克服了填料土體產(chǎn)生的土壓力,則加筋后形成的復合土體就可以保持穩(wěn)定。

        加筋土擋土墻中的拉筋材料常制成帶狀、相互間隔、分層水平地鋪設在填料土體當中。如果填料土體具有足夠的密實度,拉筋材料之間的間距布置得當,拉筋材料與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力,就能使拉筋材料之間的土顆粒產(chǎn)生相互作用,從而形成了克服土壓力的承壓拱,使得填料與拉筋材料形成了一個穩(wěn)定的復合土體。

        使加筋土產(chǎn)生成拱效應的因素較為復雜,與拉筋材料的選型、剛度、撓度、布置間距、填料的種類、填料壓實度等因素密切相關。在拉筋材料的間距布置不當、拉筋材料剛度及撓度不足,填料選擇不當、填料土的壓實度不足等等不利因素作用下,加筋土就難以形成穩(wěn)定的土拱,土體就會出現(xiàn)坍塌和側移。加筋土擋土墻端部的填土難于形成土拱,為保證填料土體的穩(wěn)定,我們在加筋土擋土墻的端部設置直立的墻面板,通過墻面板來約束不穩(wěn)定的土體,并將填料土產(chǎn)生的土壓力傳遞給拉筋材料。從而使加筋土擋土墻形成一個穩(wěn)定的結構體系。

        由于摩擦加筋原理的概念簡單明了,加筋土擋土墻結構在支擋結構和填土的穩(wěn)定體系當中被廣泛地應用。

        2.2 粘聚力原理

        加筋土是一個復合的支擋結構體系,由于加筋土擋土墻結構中拉筋材料與填筑材料之間的相互作用,產(chǎn)生出來一種粘聚力,使得加筋后土體的抗壓強度、抗剪強度得到明顯提升。這一點我們可以從試驗中得到驗證。

        未做加筋處理的砂性土體,本身的抗壓強度和抗剪強度相對較弱,對未做加筋處理的砂性土體施加在豎向應力,在豎向應力作用下,土體在豎直方向產(chǎn)生了壓縮變形,在水平方向產(chǎn)生了膨脹變形。隨著豎向應力的不斷加大,壓縮變形和膨脹變形也隨之加大,而砂性土體的側向膨脹變形越大,土體就越容易遭到破壞。為了阻止這種情況的發(fā)生,我們在砂性土體中沿水平方向分層設置適量的拉筋材料,在同樣的豎向應力作用下,其豎直方向的壓縮變形和水平方向膨脹變形顯著減小。這是由于水平拉筋材料與砂性土體之間產(chǎn)生的相互作用,將側向膨脹變形產(chǎn)生的拉力傳遞給了拉筋材料,使土體側向膨脹變形受到拉筋材料的約束,使加筋后的復合土體的強度增加,加筋的砂性土體產(chǎn)生了“粘聚力”,從而改善了加筋后砂性土的力學性質。新的復合土體中產(chǎn)生的“粘聚力”不是砂性土本身固有的,而是通過加筋處理產(chǎn)生的結果,所以我們將加筋土的這種原理,稱為“粘聚力原理”。“粘聚力原理”同“摩擦加筋原理”一樣,與拉筋材料的選型、剛度、撓度、布置間距、填料的選擇、填料壓實度等因素密切相關。

        3、加筋土擋土墻的結構

        3.1 墻面板

        加筋土擋土墻的墻面板根據(jù)采用的材料劃分,有金屬面板、混凝土面板和鋼筋混凝土面板;根據(jù)面板的造型劃分,有半圓形、半橢圓形、矩形、六邊形、內凹形、L形、十字形等組合式結構。加筋土擋土墻的墻面板可以預先制作,現(xiàn)場組合安裝,不受施工進度的影響。擋土墻面板必須有足夠的剛度,以防止拉筋間的填料被擠出,確保土體結構的穩(wěn)定。面板邊緣應設有企口和孔眼。并在孔眼中插入短筋,以方便擋土墻面板預制塊體的組合安裝。加筋土擋土墻面板每隔一定距離還應預留泄水孔。墻面板在安裝時,向內傾斜適當?shù)慕嵌?,以抵消填料土壓力產(chǎn)生的變形。

        3.2 拉筋

        加筋土擋土墻是一個復合型的支擋結構體系,拉筋材料在這個支擋體系中,是整個加筋擋土墻結構安全和穩(wěn)定的重要保障。因此,加筋擋土墻拉筋條帶,應具備足夠的抗拉強度;足夠的柔韌性;拉筋表面要有粗糙的花紋,與填土間應保證有足夠的摩擦阻力和粘聚力;為保證結構的使用壽命,擋土墻拉筋材料應具備足夠耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、抗老化性及搞疲勞性;拉筋條帶還應價格低廉、便于加工制作。拉筋材料從材質上有剛性和柔性之分,主要有金屬鋼帶、鋼筋混凝土拉筋帶、鋼塑復合拉筋帶材料、竹片材料、聚丙烯土工編織帶材料、土工格柵等。其中鋼塑復合拉筋帶材料、聚丙烯土工編織帶材料,出于其施工工藝簡便快捷,為土木工程界廣泛選用。對于拉筋材料要嚴把質量關,在加筋土擋土墻拉筋條帶材料進場前后,必須按規(guī)范要求做抗斷裂試驗、搞疲勞性、耐久性等相關試驗。加筋擋土墻拉筋條帶與擋土墻面板之間的連接,必須完全滿足加筋土擋土墻結構的力學要求及耐久性要求。

        3.3 拉筋條與墻面板的連接

        擋土墻面板與拉筋材料之間必須有堅固可靠的連接,同時連接部分還必須有與擋土墻拉筋材料相同的耐久性和抗腐蝕性。其連接方式包括焊接和螺栓連接,對于聚丙烯拉筋材料與墻面板的連接,可以采用接頭拉環(huán),也可以在墻面板上預留孔洞。埋在填料土中的接頭拉環(huán)要做好防腐處理,一般都以浸透瀝青的玻璃纖維布在接頭拉環(huán)上纏繞兩層進行防腐處理。

        3.4 填料

        加筋土擋土墻結構的主體材料是填筑材料,為切實保證拉筋材料與填料之間有可靠的摩擦阻力,必須選用易于填筑和壓實的填筑材料,并且切實保證填筑材料對拉筋材料不具有腐蝕性。同時要隨著拉筋帶的鋪設,分層壓實填筑材料,切實保證填筑材料的密實度。填筑材料應選用級配良好的碎礫石類土及保證最優(yōu)含水量及最大干密度的砂類土。

        3.5 擋土墻基礎

        加筋土擋土墻基礎結構一般為矩形,高為0.25-0.4米,寬0.3-0.5米,采用混凝土灌注或用漿砌片石砌筑。為保證最底層墻面板的安裝和出于對墻面板約束的考慮,可在基礎頂面做一對應于墻面板安裝的凹槽?;娱_挖的深度,必須保證基礎頂面在凍結線和沖刷線以下,且埋置深度不小于0.5米。如遇土質斜坡地段,基礎的趾部到斜坡的水平距離,應保證墻面板至斜坡邊緣的水平距離不小于1米,從而保證基礎結構不外露的要求。

        3.6 沉降縫與伸縮縫

        考慮到加筋土擋土墻地基的不均勻沉降,應每隔10-20米設置一道沉降縫,考慮到加筋土擋土墻本身結構的變形應設置伸縮縫,伸縮縫設置位置可與沉降縫一同考慮。擋土墻面板在設縫處應采用通縫,寬度2-3厘米,以瀝青麻筋填縫,為保證施工質量和美觀,在通縫的兩側采用對稱布置的半塊墻面板。

        3.7 帽石與欄桿

        出于約束墻面板的考慮,在加筋土擋土墻最上層墻面板的頂部設置帽石,帽石應突出墻面3-5厘米,帽石材料為混凝土或鋼筋混凝土。同時出于保證人身安全的考慮,在加筋土擋土墻上方,同其他形式的擋墻結構一樣設置欄桿,擋墻欄桿高度為1.5米,欄桿柱底部設預埋鋼筋,在灌注帽石混凝土時,將欄桿柱一同澆注于帽石中,切實保證欄桿的堅固。

        4、工程實例分析

        本工程為某新建鐵路的T梁預制場地的建設工程,該地區(qū)屬山嶺重丘地區(qū),梁場選址困難,為滿足預制場面積及防洪需求,移挖作填進行制梁場地建設。制梁場填方段地面的設計高程,高于原地面高程近十余米,而梁場的外側是鄉(xiāng)間道路、農田及水塘溝渠,為保證預制場地填筑后,既有結構物和農田不被占壓,需設置支擋結構。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,設計了重力式擋土墻和加筋土擋土墻兩種施工支護方案進行比選,其中重力式擋土墻的支護方案,對于高填方地段設計局限較大,擋土墻圬工數(shù)量達3029立方,擋墻高度為原地面以上6米,擋墻上方填土仍然需要按1:1.5的坡比放坡,填方放坡需擠占大量的農田,相應增加梁場臨時用地24畝,并且要增加過水涵洞140米。而加筋擋土墻方案,設計高度為12米,則無需增加臨時用地數(shù)量和涵洞數(shù)量。經(jīng)過技術、經(jīng)濟比較后,決定采用加筋土擋土墻方案。具體方案如下:

        材料特性及設計參數(shù)

        填料:砂性土;

        拉筋帶:鋼塑復合拉筋帶,破斷拉力大于12KN,延伸率小于1%;

        墻面板:設計墻高為12米,使用了1.5m×0.5m的矩形C30鋼筋混凝土墻面板?;驹O計參數(shù)列表如下:

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        該加筋土擋墻設計方案實施后,比較原重力式擋墻設計方案,節(jié)省填料53843立方米,減少臨時用地24畝,減少過水涵洞140米,并縮短預制場地建設工期25天。重力式擋土墻與加筋土擋土墻施工成本情況比較如下:

        (1)重力式擋土墻施工成本:

        C25混凝土3029立方,單價550元/立方,計1665950元;

        1-φ1.5m圓涵140橫延米,單價2200元/橫延米,計308000元;

        增加臨時用地24畝,單價20000元/畝,計480000元;

        增加填方數(shù)量53843立方,單價15元/立方,計807645元;

        沉降縫、帽石,計63500元

        以上合計:3325095元。

        (2)加筋土擋土墻的施工成本:

        C25混凝土基礎327立方,單價550元/立方,計179850元;

        C30鋼筋砼墻面板558立方,單價1380元/立方,計770040元;

        鋼塑復合拉筋帶36噸單價13000元/噸,計468000元;

        沉降縫、帽石、欄桿, 計165500元

        以上合計:1583390元。

        經(jīng)方案比較:加筋土擋土墻設計方案,與重力式擋土墻設計方案相比,節(jié)約施工成本1741705元,并縮短梁場建設工期25天。由此可見加筋土擋土墻的設計方案,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益,值得廣泛的推廣應用。

        結語:

        加筋土擋土墻是近年來應用和推廣的新型支擋結構,其造型美觀,節(jié)約用地,施工簡便快速,與其他形式的擋土結構相比,能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益,這對加筋土擋土墻結構的研究和實踐具有重大意義。加筋土擋土墻作為一個新的結構形式,雖然發(fā)展迅速,但目前仍停留在有關的規(guī)范(規(guī)程)的建立和健全階段,理論滯后于實踐。近些年來,隨著高速鐵路工程等工程建設的不斷發(fā)展,如列車提速、列車軸重的增加等因素對路基技術標準較以前有了較大的提高,對于加筋土擋土墻的理論研究將進一步深入,使其發(fā)揮更多的經(jīng)濟和社會效益。

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