公路軟土地基加筋法研究

張維明

(重慶交通大學)

1 加筋法的分類及技術特點

(1)加筋土結構包括邊坡、墻、路堤和壩以及廢物管理設備等。加筋土結構物一般不承受大的外荷，其主要設計考慮結構物在其自重下的穩(wěn)定性。

某些不均質地基上的土結構，如通過喀斯特上的路堤，構成加筋土結構，其加筋或在結構之內，或在結構與不均勻軟基之間。

(2)承載加筋結構，包括橋臺、柔性路面加筋、無鋪砌道路和鐵路基床加筋墊層、軟土地基上筑堤在界面上鋪設筋材的加筋結構物。這類結構在其自重下通常是穩(wěn)定的，設計中主要考慮在容許變形之下能夠承受附加荷載的能力。

(3)原位加筋系統(tǒng)是用長金屬桿扦入原位不擾動土體的加筋法如錨桿，土釘?shù)?。錨桿設置于土中由錨頭、自由段和錨固段組成由砂漿與地層粘結成錨固體，撐拉支擋結構，維護邊坡的穩(wěn)定。土釘系將一系列鋼筋材或鋼鉸索近似水平地置于擬加固的土質邊坡中注漿形成加固體或似重力式擋土結構保持邊坡的穩(wěn)定。此外還有在土中設置錨定板的輕型支擋結構。

加筋法的優(yōu)點概括如下:

①加筋法可以筑造很高的垂直填土，當然根據(jù)工程的需要也可以是傾斜坡面的;可用于地基，邊坡的加固和強化等;

②可以減少占地面積，特別是在不允許開挖的地區(qū)施工;

③加筋的土體及其結構屬柔性的，對各種地基都有較好的適應性，因而對地基的要求比其他結構的建筑物為低。對遇到較弱地基時，常不需采用深基礎。如美國科羅拉多州一加筋土墻沉降達60cm 而僅在墻面上發(fā)生細小的裂紋;

④加筋法的支擋和橋、臺等結構，墻面的變化多樣?？梢愿鶕?jù)需要設計面板進行美化，使之適用于城市道路工程，亦可采用表面植生，達到綠化的目的。

墻面板可就地預制，也可由工廠制造;

⑤加筋土結構既適于機械化施工，也適于人力施工;施工設備簡單，無需大型機械，更可以在狹窄場地條件下施工;施工管理簡便，沒有建筑公害，諸如噪聲污染，施工垃圾的堆積等;

⑥加筋土的抗震性能、耐寒性能良好;

⑦造價較低。例如，根據(jù)國內部分工程的資料統(tǒng)計，加筋土擋墻的費用約為普通擋墻造價的40%～60%，并且墻愈高節(jié)省投資愈多。

加筋法也有一定的缺點。例如，采用金屬筋材時，由于金屬易銹蝕需要考慮防護措施;如采用聚合材料筋材，聚合物受紫外線照射會發(fā)生衰化以及材料的長期蠕變性能在設計中都需予以考慮。

2 加筋土材料的評價及選擇

由加筋土基本材料構成的各種加筋土結構最終須確保它能安全、正常地運用。在評價和選材時應注意筋材與周圍土的相互作用特性，主要是二者的界面摩擦和抗拔特性;在荷載長期作用下的變形特性以及具體環(huán)境條件下的抗老化性和耐久性。此外還須考慮施工的要求及損傷的可能和影響。一般應在考慮具體的條件下進行有關的規(guī)定試驗，提供設計用的參數(shù)要仔細考慮到有關的影響，必要時還要進行專門的試驗。評價和選用材料還要考慮設計結構的使用期限。

筋－土的摩擦和抗拔特性分別由具體使用材料的直剪和抗拔試驗確定?？拱文芰υu估，設計需要的長期抗拔性態(tài)的三個基本標準。

(1)抗拔能力要求每一筋材的抗拔力必須滿足在設計荷載下的拉力并具有安全儲備;

(2)容許位移、發(fā)揮設計拉力時，筋相對于土的位移應小于容許的位移;

(3)長期位移、拔出力應小于臨界蠕變荷載。長期拉拔狀態(tài)(在常量設計荷載下的位移)主要控制于土和筋材的蠕變特性，故土筋系統(tǒng)通常不能用于對蠕變敏感的粘土。

抗拔力定義為筋從土中拔出的最大拉力，有多種估算方法，下面為美國FHWA 手冊推薦的估算式

式中:Pr為單位寬度筋材的抗拔力;α 為尺寸修正;σ'v為筋土交面上有效垂直應力;Le·C 為破壞面后單位筋材寬度的總表面積，其中Le為破壞后的埋長，C 為有效周長，對于條帶、格柵和面狀筋材C=2;F*為抗拔阻力因數(shù)(或摩擦——承載——相互作用因數(shù))。

試驗證明筋材與土之間的摩擦系數(shù)與位移大小和土的類型有關，摩擦力隨位移增大而增大，當剪切位移較大時(＞4～6 mm)，筋材與砂土的摩擦角大于砂土的內摩擦角;而筋材與粘土的內摩擦角一般總比粘土加內摩擦角小。對于重大工程筋土的內摩擦角應通過大型剪切試驗并結合工程經驗確定。對于試驗條件不具備且缺乏當?shù)亟涷灂r，我國《公路加筋工程設計規(guī)范》提供的數(shù)據(jù)如表1。

表1 土與筋材的表觀摩擦系數(shù)

3 加筋土筋材的容許抗拉強度

加筋土筋材容許抗拉強度，按金屬筋材及土工合成材料筋材分別考慮。

3.1 金屬筋材的容許抗拉強度

金屬筋材單位寬度的容許抗拉強度Ta 可按式(2)計算式中:σa為筋材金屬的容許抗拉強度，一般采用等于0.55σy(σy為屈服強度)。若為焊接鋼絲網則σa=0.47σy;Ac為金屬筋材的有效斷面積;b 為金屬筋材的寬度。

3.2 土工合成材料筋材的容許抗拉強度

由于目前的試驗方法并不能如實地模擬材料的實際工作條件及環(huán)境，諸如試樣尺寸，試驗邊界條件，受荷形式及速率等，為了考慮導致的差異，采用以試驗所得的極限抗拉強度再分別針對各種影響計算折減的分項安全系數(shù)，按下述方法確定容許抗拉強度Ta。

式中:FID為考慮施工損傷的安全系數(shù);FCR為考慮材料蠕變的安全系數(shù);FCD為考慮化學損傷的安全系數(shù);FBD為考慮生物損傷的安全系數(shù);Tu為筋材抗拉強度極限值。

分項安全系數(shù)隨筋材材質及不同工程對象而不同，分項安全系數(shù)的取值，必須考慮具體的條件。

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