加筋土擋墻的設計

改造者：史 震

加筋土擋墻的設計

改造者：史 震

加筋土擋墻作為一種較為常見的道路支擋結構，目前普遍應用于公路、鐵路、建筑等行業。本文對加筋土擋墻擋起源、特點、設計原理進行了簡要論述，為加筋土擋墻的設計及應用提供參考。

概述

加筋土是指在土體中加入筋帶等類似材料的復合土，在土體中加筋后，土體的抗剪強度明顯提高，增加土體的整體穩定性。加筋土理論的提出可追溯到上世紀60年代，當時的法國人亨利維達爾通過實驗發現，在土中摻入纖維材料時，其強度及穩定性將得到大幅度的提升，隨即提出了加筋土設計理論。在接下來的5年中，加筋土結構引起了整個歐洲乃至世界各國的關注，不斷將加筋土結構運用于實際工程中，并對這一理論進行了系統的研究，從最初的道路支擋結構擴展到堤壩、護岸以及建筑基礎等多個領域，成為一種應用廣泛的結構類型。我國從上世紀80年代開始對加筋土結構進行研究，并廣泛應用在公路、鐵路、建筑等行業，而在應用最為廣泛的公路方面，則以擋墻、邊坡防護等為主。目前國內對加筋土結構的理論研究已接近國際先進水平。

加筋土擋墻的特點

在實際應用過程中，加筋土擋墻不同于傳統重力擋墻的多項特點使其優勢越來越明顯，總體說來有以下幾點。

（1）占地少。與普通重力式擋墻不同，加筋土擋墻屬于柔性結構，對基礎要求低，高度可輕松超越傳統支擋結構，而且墻面可為垂直，從而很大程度上減少占地面積。這一點對于城市、山區等用地緊張且放坡困難的地區來說，有著巨大的經濟意義。

（2）造價低。加筋土擋墻面板薄，而且基礎尺寸較小，與普通重力是擋墻相比，可節省90％～95％的圬工數量，工程造價比石砌擋墻或鋼筋混凝土擋墻減少20％～60％。而且隨著擋墻高度的增加，節省的資金也越多。這一點對于安全性與經濟性并重的當今社會來說，是相當重要的。

（3）施工簡便。組成加筋土擋墻的構件主要包括面板、拉筋、基礎等，以上主要構件均可預先制作，除墻后填土需要機械壓實外，不需要再配置其他機械設備，施工過程易于掌握把控，安全性高，且工期較短，節省勞動力。

（4）抗震性好。由于加筋土擋墻為柔性結構，與傳統重力式擋墻相比，擁有更好的抗震性，可應用于地震發生頻繁的地區。

（5）造型美觀。加筋土擋墻的面板可根據實際需要設計成各種造型，拼裝后形成外形美觀的建筑物，適應周邊環境的同時，改善道路沿線景觀效果。

加筋土擋墻的設計

加筋土擋墻與傳統重力是擋墻在概念上與構造上都不相同。重力式擋墻是依靠自身重量抵抗墻后滑移面內的側向土壓力。而加筋土擋墻則是通過埋入土體內的拉筋把土體分成若干區域，通過拉筋與土體的摩擦作用抵抗土體側向壓力，防止土體產生滑動，保持結構穩定。

加筋土擋墻的設計方法主要包括極限平衡法，極限狀態法以及有限元法三種。極限平衡法與極限狀態法主要用于分析擋土墻破壞時的安全系數，有限元法用于分析加筋土擋墻在工作狀態和破壞狀態下拉筋的拉力分布以及土體的變形情況。加筋土擋墻的設計計算內容包括主要為內部穩定性分析、外部穩定性分析。

（1）內部穩定性分析

加筋土擋墻內部穩定性分析包括拉筋的拉力計算、拉筋強度驗算以及拉筋長度的確定。而其中的拉筋拉力計算又是設計者關注的熱點。加筋土理論發展初期，人們通常使用朗金庫論法計算拉筋拉力，也就是認為墻后土體的破裂面與水平線成（45°+φ/2）。然而在之后的眾多實驗表明，實際的破裂面與朗金庫論理論破裂面不符，滑移體頂寬由H/tan（45°+φ/2）縮小至小于等于0.3倍的墻高。造成這一現象的主要原因是由于朗金庫論法確定的破裂面為單純土體破裂面，加筋土擋墻拉筋伸入墻背土體后，與土體結合形成“復合材料”，這種“復合材料”與單純土體相比擁有更高的穩定性，因此，在加筋土擋墻設計時采用朗金庫論法就會得到相對保守的結果，而采用復合材料理論，則更貼近實際。這一理論后來取代朗金庫論法，并得到廣泛認同。復合材料法根據作用在拉筋上的垂直應力分布情況計算拉筋拉力，我國現行的《公路加筋土工程設計規范》采用的也是垂直應力分布法。

（2）外部穩定性分析

加筋土擋墻外部穩定性分析包括滑移穩定分析、傾覆穩定分析、基底應力計算、整體穩定性分析。其中滑移穩定分析、傾覆穩定分析、基底應力計算與重力式擋墻類似，在多種荷載組合條件下，滑移穩定系數需大于1.3，傾覆穩定系數需大于1.5，基底應力需小于地基容許承載力。整體抗滑穩定性分析，是確定潛在破裂面的穩定系數分析，即判別加筋土擋墻是否會隨著地基一起滑動，這一分析常采用圓弧滑動面法進行驗算。具體驗算方法有以下三種。

假定拉筋長不超過可能的滑動面，可按照普通圓弧法進行穩定性分析。見圖1。

假定破裂面穿過拉筋，在加筋體部分考慮因拉筋產生的黏聚力，將該力視為穩定力，計入穩定力矩中。

假定破裂面穿過拉筋，將伸入破裂面的拉筋產生的抗拔力對圓心取矩，視為穩定力，當拉筋強度小于抗拔力時，以抗拉強度控制，計算穩定力矩。

在《公路加筋土工程設計規范》中，推薦按照方法一進行計算，則計算公式具體如下：

圖1　

Ci、Li 第i條塊滑動面上的黏聚力（千帕）與弧長（m）

Wi 第i條塊自重及其荷載重（千牛）

φi 第i條塊滑動面上的內摩擦角

αi 第i條塊滑動圓弧的法線與豎直線的夾角

在多種荷載組合條件下，整體滑動穩定系數需大于1.25。

結語

加筋土擋墻以其自身占地少、造價省、施工簡單等多方面的優勢，成為目前公路、鐵路、建筑等行業中較為常見的一種支擋結構。隨著理論研究的深入，在未來此類結構的設計將更加貼近實際，使結構更加安全穩定，耐久實用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.038