加筋土擋土墻設計在青藏鐵路中的應用

吳鳳蘭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

青藏鐵路沿線生態環境具有原始、獨特、脆弱、敏感等特點,如何有效地保護生態環境,是青藏鐵路建設的重要任務,努力建設“具有高原特色的生態環保型鐵路”是青藏鐵路的建設目標。

加筋土擋土墻是青藏鐵路比較重要的環境保護措施之一,分別位于錯那湖(4處/743 m)、那曲(2處/1 025 m)、桑雄(1處/1 130 m)、拉薩(4處/1 753 m),共計11處/4 651 m(見圖1)。設計加筋土擋土墻,減少了路基工程占用草場、濕地,與其他擋土墻比較,具有造價相對較低，外形美觀，施工簡便，較為環保的優點,還可以適應一定的地基變形。

圖1 拉薩市區加筋土擋土墻外觀

1 設計構思

加筋土擋土墻是由拉筋材料、填料、面板(或包裹式結構)及基礎等組成的柔性路基支擋結構,其工作原理是,當筋材與其上下填土之間發生相對位移時,依靠填料與拉筋之間的摩擦力,平衡墻面所承受的水平土壓力(即內部穩定),并以拉筋與填料的復合結構來抵抗拉筋尾部填料所產生的土壓力(即外部穩定)。與重力式擋土墻比較,加筋土擋土墻可以做得較高,能適應較大的地基變形,具有良好的抗震性能,施工簡便,造形美觀,備受青睞。青藏鐵路加筋土擋土墻設計構思如下。

1.1 包裹式結構

一般情況下,剛性的墻面板與柔性的加筋體之間的沉降差是不可避免的,如果拉筋與墻面板直接連接,容易造成拉筋在墻面板附近向下彎曲產生應力集中,受力不均勻,墻體易產生外鼓、變形。采用包裹式設計,將墻面板(此時面板稱為模塊)與加筋體分離,既解決了二者沉降差帶來的技術問題,有利于擋土墻穩定,也為墻面外觀設計的個性化創造了條件。

1.2 斜面式結構

通常,加筋土擋土墻為直立式的,變形不易控制,施工也不方便。采用包裹式結構,可設計成斜面墻結構,既方便施工,也利于變形控制。

1.3 需要考慮的問題

(1)探討包裹、斜面式加筋土擋土墻計算模式及加筋體與面板的連接方式。

(2)在錯那湖有3處路堤填土較高,墻高10 m時墻頂填土高度分別為5.0 m、7.50 m和12.0 m,設計應探討路堤式加筋土擋土墻計算模式。

(3)探討雙側加筋土擋土墻計算模式。

(4)安多至拉薩段地震基本烈度為七、八、九級,在高烈度地震區修建加筋土擋土墻并不多見,設計應考慮地震的影響。

2 結構設計

依據計算結果,路肩式加筋土擋土墻橫斷面結構如圖2所示(路堤式上部可不設封閉層)。

2.1 填料

填料盡量采用粗粒土,不含粒徑大于1/3填土厚度的尖棱狀碎石。填料壓實度滿足規范要求。

2.2 拉筋

結合高原和高烈度的特征,采用高密度聚乙烯土工格柵和雙向經編高強土工格柵作為拉筋材料,要求其有效面積系數0.4,與填料間摩擦系數0.4,最大拉伸應變10%對應的抗拉強度不120 kN/m,在20℃時的蠕變極限強度44 kN/m,在-45 ℃低溫下凍融循環200次抗拉強度不小于設計標準值,而且要求具有長期的抗老化性能。

圖2 路肩加筋土擋土墻橫斷面

拉筋從工程作用分為受力拉筋、回裹拉筋及構造拉筋等(見圖3)。受力拉筋長度由內、外部穩定性計算得到。回裹拉筋長度2～3 m(包括回裹弧形部分),包裹土體,與受力拉筋一起形成自穩體系。構造拉筋將模塊與加筋體連為一體,長度2～3 m,自模塊外側算起。

拉筋重疊時,除構造拉筋與受力主筋可直接重疊外,其他拉筋之間用不小于5 cm厚填料隔開。回裹填料厚度為0.20 m(構造拉筋與受力主筋不重疊時)或0.25 m(構造拉筋與受力主筋重疊時)。

2.3 面板

包裹式結構面板僅起保護筋材、裝飾外觀、防止填料外漏等作用,單塊面板稱之為模塊。模塊尺寸0.5 m(長)×0.48 m(寬)×0.30 m(厚)和0.25 m(長)×0.48 m(寬)×0.30 m(厚)兩種。模塊與加筋體之間設構造拉筋連接,即將基礎或底層模塊頂面潤濕,抹一層M35水泥砂漿,鋪土工格柵(構造拉筋),再抹一層M35水泥砂漿,安裝上層模塊并用插銷固定。模塊在預制時應預留插銷孔、泄水孔。

圖3 拉筋鋪設示意

2.4 基礎及帽石

基礎埋深不小于1.0 m,采用C20混凝土現場灌注,必要時采用鋼筋混凝土。基底可做成一面坡或結合地形做成臺階形,臺階高度(相鄰基礎頂面高差)應為模塊厚度的整數倍,路基兩側擋墻基頂高差應為模塊厚度的整數倍。

帽石采用C20混凝土現場灌注,根據需要設計成臺階式或裙帶式。路肩式加筋墻墻頂設防護桿欄。

2.5 與結構物的連接

涵洞穿過擋土墻時,銜接部位采用異型面板,并適當倒角。銜接部位適當加密筋材。

那曲、桑雄、拉薩市區加筋土擋土墻兩端或中部設有大、中或小橋,采用臺階式連接(圖4),使墻與橋自然連接,渾然一體,也方便以后養護維修。

圖4 拉薩加筋土擋土墻

2.6 其他

墻頂設二八灰土封閉層。反濾層、泄水孔、伸縮縫均參照重力式擋土墻規范要求設置。考慮涵洞、橋臺附近一般為薄弱環節,不應在此銜接部位設置伸縮縫。

地基強度不滿足要求時,必須采取處理措施。

3 施工程序

(1)進行地基處理,現場發現地基條件與設計不符時,及時采取必要的處理措施。

(2)基礎放線、開挖至基礎底面高程,基底采用一面坡或臺階形。擋土墻位于曲線上時,應注意分段(5 m較合適)放線成圓順折線形。

(3)現澆條形基礎,預留插銷孔(或用電動沖擊鉆后期成孔)。

(4)裁剪構造拉筋、受力拉筋(含回裹拉筋長度),在基礎頂面抹砂漿(抹砂漿前將模塊頂面潤濕),鋪構造拉筋,砌筑第一層模塊并插鋼筋插銷,鋪受力拉筋。注意拉筋重疊時用填料隔開。

(5)填土,壓實度滿足設計要求后回裹填料。

(6)重復以上步驟,最后施工帽石、欄桿、墻頂封閉層。

(7)施工時應合理安排兩側擋墻同步協調施工。

4 體會

青藏鐵路11處/4 651 m加筋土擋土墻全部采用包裹式斜面墻結構,拉筋采用高密度聚乙烯土工格柵、雙向經編高強土工格柵,墻與橋之間臺階式連接,實踐證明,加筋土擋土墻工程在青藏鐵路的應用是成功的,在設計及配合施工過程中有以下體會：

(1)采用包裹式結構后,基礎、每層模塊及拉筋可不水平鋪設,如路肩墻可按線路縱坡鋪設,縱坡較大時基礎可設計成臺階形,臺階高度為模塊厚度的整數倍。回裹拉筋計算長度一般在1 m左右,設計一般采用2～3 m。

(2)從計算過程看,在內部穩定計算時并沒有考慮斜面墻結構,有一定的安全度,但在外部穩定性計算時按斜面墻結構計算,減少了土壓力。從施工角度講,斜面墻結構也便于變形控制,便于施工。

(3)采用斜面墻結構后,兩側加筋墻拉筋不存在應力疊加,可分別按獨立加筋土墻設計,但應注意兩側基礎頂面高差為模塊厚度的整數倍,保證拉筋盡量鋪設在同一高程,以利于填土作業。

(4)在內部穩定性計算時,受力拉筋(土工格柵)長度往往比規范規定的長度要小,取二者間的大值,但該值往往仍然比外部穩定性計算的值要小。筆者的體會是,外部穩定性一般控制受力拉筋的長度,內部穩定性一般控制拉筋的容許抗拉強度。

(5)包裹式加筋土擋土墻一旦出現較大的沉降,可能出現斜向裂縫,上下模塊分離,一般不會出現墻面外鼓現象。但需要說明的是,一旦出現較大的沉降,很難補救,施工前一定要認真復查地質條件,不能掉以輕心,必要時采取切實可行的地基處理措施。

(6)設計采用的計算模式是參照有關規范、工程實例設計的,實踐證明是安全可靠的,但并沒有相應的試驗數據驗證,因此計算模式的科學性還需要繼續探討。

[1]錢國華.加筋土擋土墻在青藏鐵路的應用[J].路基工程,2005(2)

[2]朱建群,孫遇祺.雙側加筋土擋土墻計算圖式的探討[J].路基工程,2001(1)

[3]鐵一院.鐵路工程設計技術手冊(路基)[M].北京：中國鐵道出版社,1995