加筋格賓擋墻在山區(qū)公路填方路基中的應(yīng)用

楊文江

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，公路網(wǎng)在不斷延伸，山區(qū)公路在整個公路網(wǎng)中的比重也日益增加。受山區(qū)復(fù)雜的地形條件限制，山區(qū)公路中填方路基多數(shù)處于斜坡地段，路基穩(wěn)定性差。為確保山區(qū)公路填方路基的長期穩(wěn)定，工程中常通過設(shè)置擋土墻進行填方邊坡收坡和支擋。工程中常見的擋土墻結(jié)構(gòu)均為漿砌片石、鋼筋混凝土等剛性材料組成，其在以往工程中確保路基的長期穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用，但其抗變形能力差、地基承載力要求高、墻后土體積水不易及時排出等缺點也造成諸多工程失效的案例。加筋格賓擋墻通過將加筋土與格賓擋墻的結(jié)合，在確保山區(qū)公路填方路基長期穩(wěn)定的同時，克服了傳統(tǒng)剛性擋土墻抗變形能力差、墻后土體積水不易排水等缺點，并可實現(xiàn)墻體植物綠化，保護工程施工點的生物多樣性，弱化了工程建設(shè)對環(huán)境的不良影響，符合“綠色公路”建設(shè)理念。

加筋格賓擋墻與傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)勢：

a）基礎(chǔ)承載力要求低 加筋格賓擋墻通過土體加筋提高擋墻穩(wěn)定性的同時，降低擋墻自身重度，從而使擋墻基礎(chǔ)的承載力要求降低。

b）地基變形適應(yīng)性強 能適應(yīng)地基土的不均勻變形，無需設(shè)沉降縫，還可通過筋帶加強整個結(jié)構(gòu)的相互作用來提高結(jié)構(gòu)的整體性。

c）實現(xiàn)墻面快速排水 面墻填石的多孔隙結(jié)構(gòu)可在暴雨工況迅速降低路基土的孔隙水壓力，保持土體強度，避免由于墻后土體排水不暢而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)崩潰的風(fēng)險。

d）綠色生態(tài)優(yōu)勢明顯 加筋格賓面墻設(shè)計為臺階式，可在臺階上放置種植土工包促進植被生長，做到結(jié)構(gòu)與周圍自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一，同時多孔性的結(jié)構(gòu)特性也為項目沿線小型動物提供了棲息場所，保護了生物多樣性，實現(xiàn)了“綠色公路”的建設(shè)目標。

e）經(jīng)濟性 與重力式擋墻相比，可節(jié)省圬工數(shù)量95%～97%，造價較漿砌石擋墻和鋼筋混凝土擋墻減小10%～60%以上。

加筋格賓擋墻主要由格賓墻面和加筋土兩部分組成。格賓墻面是由經(jīng)耐腐處理的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)片組合成蜂巢網(wǎng)箱后填入潔凈的抗風(fēng)化片、塊石或卵石組成一種新型的擋土結(jié)構(gòu)。由于格賓擋墻單級配的大孔隙特點和鋼絲網(wǎng)片的側(cè)向約束，使得格賓擋墻既具備了傳統(tǒng)干砌擋墻的透水性和生態(tài)性的優(yōu)點，又克服了傳統(tǒng)干砌擋墻變形過大的不足。單純的格賓擋墻由于其主要依靠鋼絲鉸接和片塊石機械咬合的摩阻力抵抗土體變形，因而支擋能力有限，若墻后土壓力較大則造成格賓擋墻的體積過大。通過對墻后一定范圍內(nèi)的填土進行加筋處理，則可使墻后土體與格賓擋墻共同受力起到支擋效果，同時彌補了普通加筋擋土墻筋材易暴露于大氣環(huán)境下的缺陷。

本文將通過某高速公路加筋格賓擋墻設(shè)計實例論述加筋格賓擋墻的設(shè)計及施工。

1 工程實例

1.1 工程概況

某高速公路K85+547—K85+907段填方路基，路基右側(cè)邊坡高度為9～10 m，距離路基左側(cè)頂邊緣線6 m處為一新建地方旅游公路，旅游公路右側(cè)為村莊。該段路基地質(zhì)為表層0.5～0.8 m厚種植土，下伏15～20 m厚Q4卵石土層。表層種植土層地基承載力為60 kPa，Q4砂卵石層地基承載力為200 kPa。項目工點地震加速度值為0.15g，地震設(shè)防烈度為7度。項目工點最大凍深為0.8 m。路基填料為砂土，壓實后容重為 19 kN/m3，飽和容重為20.8 kN/m3，壓實后土體的內(nèi)摩擦角φ=30°，黏聚力C=10 kPa。

該段填方路基若按正常邊坡放坡則邊坡放坡距離為13.5～15.5 m，侵占了現(xiàn)有旅游公路，且旅游公路右側(cè)為村莊不具備改線條件。因此通過設(shè)置擋墻進行邊坡收坡。

1.2 設(shè)計方案比選

擋墻如采用傳統(tǒng)重力式漿砌片石或片石混凝土擋墻，墻高需按11.5 m考慮，地基承載力要求為300 kPa以上，需進行地基處理，且高速公路右側(cè)為旅游公路與村莊，長大距離的圬工工程對旅游公路的景觀產(chǎn)生較差的視覺效果，因此考慮采用加筋格賓擋墻進行該段路基邊坡的收坡。

1.3 方案設(shè)計

以最大坡高10 m為典型斷面進行設(shè)計，考慮表層種植土厚度為0.5～0.8 m，最大凍深為0.8 m，擋墻埋深按1 m考慮。因此以墻高11 m進行擋墻設(shè)計。擋墻面坡坡率自路基頂以下6 m范圍內(nèi)邊坡坡率為1∶0.5，以下部分邊坡坡率為1∶0.3。并考慮擋墻格賓擋墻寬度不進入路基頂寬度范圍內(nèi)，實際放坡寬度為5.2 m，可確保路基邊坡不侵占旅游公路界限。具體如圖1示意。

圖1 格賓加筋擋墻典型斷面圖（單位：m）

格賓擋墻每個蜂巢網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)尺寸為高1 m×寬0.8 m×長3 m，格賓網(wǎng)內(nèi)延長度為3 m。格賓網(wǎng)型號網(wǎng)孔8 cm×10 cm，網(wǎng)面鋼絲直徑為2.7 mm的雙絞合網(wǎng)片。格賓網(wǎng)極限抗拉強度最小值為50 kN/m。

土工格柵路基頂以下6 m范圍設(shè)土工格柵長度為5 m，下部5 m范圍土工格柵長度為8 m。土工格柵布設(shè)于每層格賓擋墻的頂部和底部并與格賓擋墻內(nèi)延格賓網(wǎng)片有效連接。土工格柵材料要求見表1。

表1 土工格柵指標要求值

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 結(jié)構(gòu)計算原理

加筋格賓擋墻盡管墻面采用了格賓擋墻面板，但由于格賓擋墻支擋作用在整個加筋格賓擋墻的作用體系中所占比例較小，因此，加筋格賓擋墻的結(jié)構(gòu)計算仍然是以加筋土擋墻結(jié)構(gòu)計算為主，不計格賓擋墻的支擋貢獻。

由此，加筋格賓擋墻結(jié)構(gòu)計算包括擋墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度計算和擋墻外部穩(wěn)定性計算兩部分內(nèi)容。其中，擋墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度計算又包括單根筋帶的抗拉計算和每個加筋結(jié)構(gòu)塊體的內(nèi)部整體穩(wěn)定性計算；擋墻外部穩(wěn)定性計算則是視加筋格賓擋墻為一整體結(jié)構(gòu)，按傳統(tǒng)擋墻結(jié)構(gòu)進行墻后土壓力計算、擋墻基底滑移驗算、擋墻傾覆穩(wěn)定性驗算和基礎(chǔ)底面地基承載力驗算。

2.1.1 單根筋帶抗拉強度的確定

加筋格賓第i層筋材所受到的水平拉力Ti等于該層筋材分配的格賓擋墻背部側(cè)向土壓力與筋材間距之積，即

式中：σhi為由填土自重產(chǎn)生的側(cè)向土壓力、墻頂永久荷載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力和車輛荷載及其他可變荷載引起的側(cè)向土壓力組成的格賓墻背土壓力的總和，kPa；Sh、Sv為 筋材的水平、垂直間距，m。

筋材強度條件應(yīng)符合式（2）、式（3）的要求。

式中：Tu為筋材極限抗拉強度，kN/m；Ta為筋材的允許抗拉強度，kN/m；Td為筋材的設(shè)計抗拉強度，kN/m；FSID、FSCR、FSBC、FS 為施工損傷安全系數(shù) 1.1、材料蠕變折減系數(shù)1.38、材料老化折減系數(shù)1.03、結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)1.3。

2.1.2 墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的計算

墻體內(nèi)部穩(wěn)定性的計算目前較為常見的有兩種方法。

a）方法一 以單根筋帶的抗拔穩(wěn)定性計算為著手點，通過單根筋帶抗拔力與筋帶水平拉力之間的安全系數(shù)設(shè)計進行擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性計算。

第i層筋材的錨固抗拔力根據(jù)擋墻破裂面意外筋材有效長度與筋材上下界面處土工摩擦系數(shù)確定。公式見式（4）。

式中：Tpi為筋材錨固抗拔力，kN；σvi為筋材所在位置由墻后填土及墻頂永久荷載產(chǎn)生的垂直壓應(yīng)力，kPa；a為筋材水平間距寬，m；Lei為筋材有效加固長度，m；f為筋材與填土之間的摩擦系數(shù)，本項目取值0.8。

b）方法二 采用簡化畢肖普法，通過計算機軟件搜索最不利滑面，計算滑面以上土體整體抗滑力矩與下滑力矩的平衡。

安全系數(shù)為抗滑力矩與下滑力矩間的比值：

加筋單元在截斷滑動面的區(qū)域內(nèi)可增加坡體的穩(wěn)定性，破裂面穿過筋帶時，將伸入滑弧后面的筋帶長度產(chǎn)生的摩阻力、滑弧前面筋帶長度所產(chǎn)生的摩阻力和筋帶的抗拉強度三者的小值對滑弧圓心取矩，視為穩(wěn)定力矩。

考慮加筋單元作用的安全系數(shù)如式（6）：

式中：ci、φi為第i條塊滑動面處的黏聚力和內(nèi)摩擦角；bi為第i條塊滑動面處的弧長，m；Wi為第i條塊自重及其荷載重，kN；αi為第i條塊滑動弧的法線與豎直線的夾角，（°）；Pj為穿過破裂面的第j道筋帶的抗拔力，kN；θj為穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，（°）。

方法二在進行內(nèi)部整體穩(wěn)定性分析采用簡化畢肖普法時計算繁瑣，需采用計算機進行。但其計算精度高，軟件搜索滑面中已將現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的0.3H滑裂面包含在內(nèi)，計算數(shù)據(jù)更可靠。因此本文計算以方法二為計算手段。

2.1.3 擋墻內(nèi)部計算結(jié)果

擋墻內(nèi)部計算結(jié)果見圖2。

圖2 格賓擋墻計算結(jié)果圖示

由圖2可知，將擋墻按上、下兩部分分別計算安全系數(shù)分別為1.663和1.928，滿足規(guī)范要求。

2.2 外部穩(wěn)定性計算

擋墻外部穩(wěn)定計算方法時，視加筋格賓擋墻為一整體結(jié)構(gòu)，計算擋墻墻背土壓力后，按傳統(tǒng)擋墻計算方法進行擋墻的基底承載力、抗傾覆、抗滑移計算，具體計算方法本文不再贅述，計算結(jié)果見表2。

表2 格賓擋墻計算結(jié)果列表

暴雨工況下，土體的內(nèi)摩擦角φ=24°，黏聚力C=8 kPa，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.282，大于規(guī)范要求值1.3；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為8.433，大于規(guī)范要求值1.3。由于本項目所處地區(qū)地震動峰值為0.15g，地震烈度為7度，因此不考慮地震工況。

由此可見，加筋格賓擋墻抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求值，擋墻地基承載力要求值為191 kPa，小于墻底地基承載力200 kPa。

3 加筋格賓擋墻的施工

基于加筋格賓擋墻的結(jié)構(gòu)受力分析可知，加筋格賓擋墻的核心是加筋土體和格賓墻面，因此加筋格賓擋墻施工時需重點控制土體加筋和格賓墻面的施工質(zhì)量。

加筋格賓擋墻施工時，必須保證擋墻中格賓網(wǎng)和加筋筋材的材料質(zhì)量。格賓網(wǎng)必須采用經(jīng)耐磨耐低溫防腐處理的鋼絲網(wǎng)片。為保證格賓網(wǎng)箱在施工過程中不變形，并與墻后土工筋帶連接強度，加筋格賓網(wǎng)面抗拉強度不得低于50 kN/m，翻邊強度35 kN/m。格賓網(wǎng)內(nèi)填石可采用卵石、片石或塊石，要求石料質(zhì)地堅硬，遇水不易崩解、抗風(fēng)化，石料強度等級MU30以上，密度大于2.5 t/m3，石料填充空隙率不大于30%。加筋格賓面墻填石粒徑以100～300 mm為宜，靠墻面30 cm范圍內(nèi)采取干砌的方式。格賓墻墻背需設(shè)施一層滲水土工布，以防止墻背淤積阻水[2]。

加筋體施工時，加筋材料必須經(jīng)過相關(guān)檢驗部門進行質(zhì)量檢測，滿足設(shè)計技術(shù)要求方可進場，進場后需遮陽、防水保存，且不宜存放時間過長[3]。加筋體范圍內(nèi)填土宜采用砂土，不得采用腐殖土、淤泥等。加筋體鋪設(shè)時，杜絕對筋材進行壓折。鋪設(shè)完成覆土?xí)r，需松鋪30 cm厚度以后再進行碾壓。

4 經(jīng)濟性比較

若該段擋墻采用M7.5漿砌片石擋墻，墻高按11 m計算，每延米擋墻圬工量為32.5 m3。按山西省發(fā)布的2018年4期太原市的材料單價信息并考慮運距，每延米工程造價為393元/m3，M7.5漿砌片石擋墻每延米造價為12 772.5元。

加筋格賓擋墻每延米片石數(shù)量為8.8 m3，每延米格賓網(wǎng)數(shù)量為44 m2，土工格柵為114 m2，滲水土工布14 m2。

表3 格賓擋墻每延米造價組成表

由此可見，同樣高度加筋格賓擋墻每延米工程造價較漿砌片石擋墻節(jié)省7 406.1元，節(jié)約造價58%。

5 結(jié)語

綜上所述，加筋格賓擋墻為山區(qū)公路建設(shè)過程中遇到的復(fù)雜地形條件下的路基處理提供了一種新型的支擋思路，其在融合普通加筋土擋墻和干砌擋墻優(yōu)點的同時，彌補了傳統(tǒng)圬工擋墻的不足，是一種值得推廣和進一步研究其力學(xué)行為的支擋結(jié)構(gòu)。