采用加筋墊層處理公路擋墻下軟弱地基的設計方法

楊文江

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路擋墻基底的軟弱地基處理措施中，墊層法以其施工簡單、造價低廉、處治效果良好而被廣泛應用。但是，墊層法在實際應用過程中由于受墊層材料本身的應力擴散角有限且過厚的墊層不經濟的局限。同時根據《建筑地基處理技術規范》的要求，當墊層厚度與基礎寬度之比小于0.25時，不考慮墊層的應力擴散效應，墊層則起不到擴散應力，提高地基承載力的效果。由此，對于地基承載力要求較高而基底承載力又過低的擋土墻，不得不放棄墊層法而采用其他相對工藝復雜的處治措施。加筋墊層則通過在普通墊層中加鋪水平向土工筋帶的措施，提高了墊層結構的抗剪性能和整體穩定性，墊層的應力擴散角也隨之擴大，從而使得墊層上部的附加荷載通過加筋墊層應力擴散后的應力值較普通墊層應力擴散后的應力值明顯減小，且不受墊層厚度與基礎寬度之比小于0.25時，應力擴散角為零的限制。然而，由于目前公路相關設計規范尚未涉及到這方面內容，因此山西省高速公路中擋墻基底處理中加筋墊層應用較少。本文將具體通過工程實例介紹加筋墊層在高速公路擋墻基底處理中的應用。

1 原理分析

墊層中加鋪土工筋帶后，在荷載作用下，筋帶與墊層粒料界面的摩擦作用限制了墊層材料的側向位移，等效于為墊層施加了一側向約束，避免復合墊層的剪切破壞、側向擠出和隆起，從而使墊層的整體性能和剛度提高，擴大墊層的應力擴散角，有利于荷載在傳遞過程中的擴散，使得墊層基礎荷載能夠在有限的墊層厚度范圍內應力得以有效地分散減弱，降低對下臥層的承載力要求值；同時，通過材料界面摩擦作用，復合墊層中的筋帶在荷載作用下產生內應力，通過筋帶的高強抗拉強度使得筋帶承擔部分荷載，從而提高了墊層的承載力。

2 采用加筋墊層進行地基處理的設計方法

采用加筋墊層進行地基處理的設計內容包括加筋墊層中加筋材料和墊層材料的選擇、墊層厚度的確定與墊層加筋層數和層間距的確定、加筋墊層層底承載力和沉降的驗算。

2.1 加筋材料的選擇

參考《化工建(構)筑物地基加筋墊層技術規程》HG/T 20708—2011，加筋材料可選擇GSLD/GSA塑鋼土工復合筋帶和SLLD/GF塑玻土工復合筋帶。加筋墊層中的加筋應具有抗拉強度高、拉力狀態下延伸率小，耐久和抗腐蝕性能好，柔韌性好，材料表面與墊層填料間具有足夠的摩阻力等特點。加筋材料宜選擇雙向網狀土工格柵，其具體包括加筋材料的物理性能和力學性能兩個方面：

a)力學性能 抗拉強度應大于120 MPa,伸長率宜為2%～3%之間,似摩擦系數大于等于0.5，偏斜率小于0.01 mm/m。

b)物理性能 物理性能應滿足表1要求[1]。

2.2 墊層材料的選擇

墊層材料可根據工程就近原則，按照設計承載力要求選用級配碎石、砂礫、粗砂和灰土等。墊層應按《建筑地基處理技術規范》要求進行壓實，壓實度不低于規范要求值。粒料墊層同時應滿足規范中對墊層材料的各項技術指標要求，灰土墊層宜采用三七灰土。

表1 加筋墊層筋帶物理力學指標表

2.3 加筋墊層厚度的確定與墊層加筋層數和層間距的確定

2.3.1 構造要求

參考《化工建(構)筑物地基加筋墊層技術規程》HG/T 20708—2011和《建筑地基處理技術規范》JGJ 79—2012，加筋墊層需滿足如下構造要求：

a）加筋墊層中的首層筋帶距墊層頂面的距離(首層距 μ)應為 0.3 h(h為墊層厚度)。

b）多層筋帶的層間距ΔH應為0.3 h～0.5 h且不小于200 mm。

c）土工復合筋帶的中心距離宜取250～500 mm，加筋線密度LDR（筋帶寬度與筋帶間水平距離之比）宜取12%～17%且不宜大于20%。

d)墊層邊緣處，土工復合筋帶應反包回折壓入墊層，當墊層寬度大于5 m時，回折長度宜為不小于2.5 m，并伸入到擋墻基礎垂直投影范圍內，當墊層寬度小于5 m時，土工筋帶回折后進行搭接，搭接長度不小于1 m，同時搭接部分位于擋墻基礎垂直投影范圍內。

e)土工復合筋帶的連接宜采用搭接法，搭接長度不應小于1 m。

f)土工復合筋帶不得直接置于墊層底面與原狀土接觸。

g）加筋墊層的厚度應控制在0.5～3.0 m之間。

h）加墊墊層頂寬應寬出基礎底兩側不小于0.3 m，墊層底寬應滿足基底應力經墊層擴散后的寬度，并根據施工要求適當放寬。

i）加筋墊層在進行地基承載力驗算時，不受墊層厚度h與基礎寬度b之比小于0.25時應力擴散角為零的限制[1-2]。

2.3.2 地基軟弱下臥層承載力驗算

公路擋墻下地基軟弱下臥層承載力驗算可根據條形基礎軟弱下臥層頂附加應力值計算公式，即

式中：pz為相應于荷載效應標準組合時,軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；b為條形基礎底寬，m；z為墊層厚度，m；pc為基礎底面處土的自重壓力值，kPa；pk為相應于荷載效應標準組合時,基礎底面處的平均壓力值，kPa；θ為墊層應力擴算角，墊層應力擴散角可參考表2[3]。

表2 墊層應力擴散角

2.4 加筋墊層加筋材料強度

加筋墊層中加筋材料強度應符合下式規定：

式中：TP為加筋墊層中加筋材料作用力，TP=pzfs/mc，fs為似摩擦系數，可取0.52～0.54，mc為加筋材料影響系數，一般取值為4～6[2]；Ta為加筋材料設計抗拉強度。

3 工程實例

某高速公路路肩墻，墻高8 m，擋墻頂寬1.46 m，墻面坡與墻背坡坡度均為1∶0.25，基底設有1∶10的反向坡并設有無筋擴展基礎，擴展基礎寬0.3 m，高0.7 m。擋墻基底寬度為2.12 m，基礎埋深為1.71 m。擋墻要求地基承載力墻趾處為252 kPa，墻踵為64 kPa。在施工過程中，基礎開挖至設計基底標高后經地基承載力檢測持力層地基承載力為120 kPa,且持力層厚度為5 m。需對地基進行處理，以提高持力層的承載力。

采用普通砂礫墊層與加筋砂礫墊層分部進行地基處理計算比較。

持力層土層容重取18 kN/m3，砂礫墊層容重取21 kN/m3，地基承載力深度修正時的深度修正系數ηd=1.5。普通砂礫墊層擴散角取30°，加筋墊層將采用3層以上加筋，因此擴散角值采用38°。

3.1 采用普通砂礫墊層換填計算墊層厚度

根據《建筑地基處理技術規范》第4.2.2-1式，pz+pcz≤faz，其中pz為相應于荷載效應組合時，墊層底面處的附加壓力值；pcz為墊層地面處土的自重壓力值；faz為經深、寬度修正后的墊層底面處的地基承載力特征值。假設墊層厚度為2.3 m,則經深、寬度修正后的

墊層底面處地基承載力特征值faz=120+1.5×（2.3+1.5-0.5）×（2.3×21+1.5×18）/（2.3+1.5）=218.1 kPa；

則，pz+pcz=75.3+141.1=216.4kPa≤faz=218.1 kPa，滿足要求。

3.2 采用加筋砂礫墊層換填計算墊層厚度：

假設墊層厚度為1.8 m,采用3層加筋。經深、寬度修正后的墊層底面處地基承載力特征值faz=120+1.5×(1.8+1.5-0.5)×(1.8×21+1.5×18)/(1.8+1.5)=202.5 kPa。

則，pz+pcz=136.9+64.8=201.7 kPa≤faz=202.5 kPa，滿足要求。

考慮采用加筋墊層進行地基處理。

3.3 墊層寬度計算

墊層頂寬為擋墻基礎底寬兩側各加0.3 m寬，即B=b+2×0.3=2.55+0.6=3.15 m；

墊層底寬根據公式b′=b+2ztanθ計算，即b′=2.55+2×1.8×tan38°=5.36 m。

3.4 加筋墊層土工合成材料強度驗算

根據2.4中，TP=pzfs/mc=136.9×0.52/4=17.8 kPa;

土工合成材料選用雙向GSL35/PE土工格柵，設計抗拉強度Ta=21 kN/m。

Tp≤Ta，滿足要求。

3.5 加筋墊層構造設計

加筋墊層按3層加筋設計，首層加筋距離墊層頂面距離為0.6 m，加筋垂直間距為0.5 m，最下層加筋距離墊層底為0.2 m，沿加筋墊層橫向土工格柵端部采用回折，并在回折處防止土工格柵受損設置胞腔式砂石袋。具體見圖1。

圖1 墊層設計大樣圖

4 結語

針對加筋墊層處理后的地基承載力由于目前尚未完善的計算理論，因此，采用加筋墊層處理后的地基承載力應以實測為準，但工程實際標明，加筋后的墊層承載力較普通墊層有明顯提高。同時，墊層加筋后，墊層的整體性能穩定性得以提高。對于對地基變形要求較高的擋土墻，應進行地基處理后的地基沉降驗算。

加筋墊層作為進行淺層地基處理的一種新形式，盡管《建筑地基處理技術規范》已將其列入其中，但目前仍處于研究階段。大量的工程實踐證明，其地基處理效果是顯著的。在山西省，太原理工大學白曉紅教授和煤炭工業太原設計研究院勘察設計大師王步云先生為加筋墊層技術方面做出了卓越的貢獻，為山西省加筋墊層的應用提供了理論依據和工程實踐經驗。本文中所涉及到的多個知識點，也都借鑒于上述兩位專家的學術觀點。