加筋擋土墻在上浦高速公路中的應用及相關問題探討

唐韜

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司， 湖北 武漢 430060)

加筋擋土墻作為一種常見防護形式，以其整體性高、穩定性強的特點被廣泛運用于各項工程中。隨著工程難度的逐漸增加，許多復雜地區的擋土墻高度增大，采用普通直立式擋土墻難以滿足強度及變形要求。而現有規范主要針對單級直立式擋土墻，對多級臺階式擋土墻缺乏統一標準。該文以上浦(上饒—浦城)高速公路某段采用加筋擋土墻的高填方段落為例，對加筋擋土墻在高速公路中的應用進行研究，并提出擋土墻設計中存在的問題。

1 工程概況

上浦高速公路新建工程地處江西省境內，全長50.853 km。其中K12—K13段屬于高填方路段，受所處位置地形限制，采用普通路肩墻難以承擔土體的側向壓力且擋土墻高度達20 m，而采用加筋擋土墻能充分發揮其整體性和穩定性好且受力均勻的特點，故設計采用加筋擋土墻。

2 加筋擋土墻設計

設計采用高密度聚乙烯(HDPE)單向土工格柵，根據蠕變強度不同分為A、B、C 3種類型，其設計指標見表1。

表1 土工格柵的設計指標

2.1 加筋擋土墻工藝流程

加筋擋土墻關鍵工藝流程主要有坡面設置、加筋體填筑、加筋體墻背側填筑及排水處理。

(1)坡面設置。土工格柵加筋路堤邊坡按照1∶0.50設置，每級平臺寬度為2 m。在路堤施工中，每填筑0.5 m在受力方向布置一層土工格柵。每層土工格柵均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包邊，與上層土工格柵搭接不小于2.0 m。邊坡邊部每一層土工格柵內均反包2個混有種植土的編織袋，在最外側的編織袋內加入草籽。

(2) 加筋體填筑。筋體填筑前做好基底處理，先清除格柵范圍內地表粉質黏土覆蓋層，地表橫坡陡于1∶5時挖成反向臺階。加筋擋土墻采用較密實的填料(開山石渣)分層填筑，每層厚度不超過0.5 m。填料需級配良好，不均勻系數≥5，曲率系數=1～3。填料干容重不小于20 kN/m3，最大粒徑不超過30 cm，其中大于20 cm的填料含量不超過20%。經碾密壓實后，填料孔隙率不大于20%或下部壓實度不小于93%，上部1.5 m范圍內壓實度至少達到95%。填筑完成時的整體滲透系數不小于1×10-2cm/s。

(3) 加筋體墻背側填筑。加筋擋土墻墻背側1倍墻高范圍內填料分層壓實，分層厚度與加筋體一致，要求下部壓實度不小于93%、上部1.5 m范圍內壓實度至少達到95%或孔隙率不大于20%。

(4) 加筋體防排水。設計中于每級平臺及護腳處設置φ10 cm泄水孔，間距2 m，避免開山石填料受地下水浸泡而導致強度變低。

2.2 設計原則

加筋擋土墻設計準則分別為極限平衡法、極限狀態法及數值模擬法。極限狀態法由于忽略了結構的整體變形，而直接采用材料的最大強度為依據，給出結構不發生破壞的安全系數，與實際不符，擋土墻設計中較少采用。相較于極限狀態法，數值模擬法可準確計算土體與筋材各點的應力，且能模擬土體隨時間的變化及施工過程中的堆載。但數值模擬法需明確土體與加筋材料間的本構關系，故只在局部復雜變形體中采用。極限平衡法是目前使用最廣泛的方法，設計中主要考慮強度方面的相關系數，計算簡單。該項目加筋擋土墻設計采用極限平衡法。

2.3 加筋擋土墻計算

以26 m加筋擋土墻為例進行研究。加筋擋土墻的穩定性分析采用理正軟件，在加筋體外部、內部及深層進行圓弧穩定分析。土工格柵加筋路堤邊坡坡率為1∶0.50，每級平臺設置寬2 m平臺。路堤施工中，每填筑50 cm沿受力方向設置一層單向拉伸土工格柵，至上而下全部設置。格柵間距50 cm，采用開山石渣回填。每層土工格柵均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包邊，與上層土工格柵搭接不小于2.0 m。計算模型見圖1。

圖1 26 m加筋擋土墻斷面示意圖(單位：cm)

2.3.1 基本假定

(1) 路基填料產生的主動土壓力主要由墻面板內填料承擔，并由面板上連接鋼筋的抗拔力來平衡。

(2) 摩擦系數在整個擋土墻范圍內均相等。

(3) 土體破裂面是加筋擋土墻錨固區與非錨固區的分界面，根據土工規范，破裂面常按0.3H折線法確定。

2.3.2 計算參數

(1) 加筋土路肩墻墻高H=26 m，分段長度為10 m。加筋體上填土重力換算為等代均布土層厚度h1=0.6 m。

(2) 墻背主動土壓力按照庫倫理論計算，其中墻后填料綜合內摩擦角按35°設計，填料重度19 kN/m3。

(3) 車輛荷載。墻高大于10 m，車輛荷載附加強度為10 kN/m2。

(4) 采用HDPE土工格柵，A、B、C型格柵強度分別為25、40、60 kN/m。

(5) 土與筋帶之間的視摩擦系數f′=0.4，加筋體與地基之間的摩擦系數f=0.4。

2.3.3 內部穩定性計算

(1) 根據JTJ 015-91《公路加筋土工程設計規范》，各層加筋體所受拉力為：

Ti=Ki(γizi+γih)SxSy

(1)

式中：Ki為深度zi處主動土壓力系數；γi為填料重度；Sx、Sy分別為筋帶節點的水平與豎向間距。

(2) 破裂面上下兩部分高度H1、H2的計算公式為：

H2=0.3Htg(45+θ/2)

(2)

H1=H-H2

(3)

式中：θ為填料綜合內摩擦角。

(3) 筋帶長度計算分為錨固區L1和活動區L2兩部分，計算公式見式(4)、式(5)。各層筋帶長度計算結果見圖1。

(4)

(5)

(4) 抗拔穩定安全系數計算。根據規范，鋼筋的抗拔力由錨固區長度L1與土體間摩擦力提供，以Tpi表示第i層鋼筋的抗拔力，計算公式見式(6)。抗拔穩定安全系數為鋼筋抗拔力Tpi與加筋體所受拉力Ti的比值，根據規范，其最小值為1.5。依次計算各層鋼筋的抗拔穩定安全系數，均大于1.5，抗拔穩定性滿足要求。

Tpi=2σviL1Bf

(6)

式中：σvi為鋼筋所受土體自重壓力；B為鋼筋寬度。

2.3.4 外部穩定性計算

加筋擋土墻內部筋材與填土之間因黏結作用而形成一個整體，其外部穩定性計算與普通擋土墻基本相同。

(1) 滑動穩定性驗算。加筋擋土墻的水平抗滑移能力應大于其承受的水平力，即：

(7)

式中：Sd為水平力效應設計值；Rd為設計抗滑力；Kc為安全系數計算值；μ為基底摩擦系數；∑N為豎向合力；∑T為水平合力；[Kc]為安全系數規范值。

(2) 抗傾覆穩定性驗算。抗傾覆穩定性是指擋土墻抵抗土體壓力，防止自身繞墻趾產生轉動的能力。驗算公式如下：

(8)

式中：K0為抗傾覆穩定系數；∑MR為穩定力矩；∑M0為傾覆力矩；[K0]為抗傾覆穩定系數規范值，其取決于荷載組合。

(3) 地基承載能力驗算。由于加筋擋土墻所受力為偏心荷載，按照梯形分布計算基底壓力，計算公式見式(9)。若σmin計算值為負，即e>L/6時，基底壓力發生重新分布[見式(10)]。要求最終計算所得σmax、σmin≤[σ0]([σ0]為容許承載力)。

(9)

(10)

(4) 整體穩定性驗算。整體穩定性計算采用圓弧法，計算所得加筋擋土墻最不利滑動面見圖2。

圖2 加筋擋土墻的最不利滑動面

3 加筋擋土墻設計中的相關問題

3.1 多級加筋擋土墻設計

擋土墻高度較大時，單級加筋擋土墻難以滿足承載力及變形要求，同時按照規范要求，擋土墻高度大于12 m時需設置至少1 m的錯臺以形成臺階式擋土墻。美國FHWA(聯邦公路局)對多級加筋擋土墻設計的規定如下：(H1+H2)/20≤D≤H2×tan(90-φ)(H1、H2分別為上下兩級擋土墻高度；D為錯臺寬度)時，需考慮上級擋土墻對下級擋土墻的作用。對于該作用，美國NCMA(砼砌體局)將其考慮為上層均布荷載，國內目前普遍采用的彈性理論計算方法亦是如此。但有學者研究發現，采用該假設方法計算所得下級擋土墻所受土壓力與實測值存在差異，并提出了下級擋土墻在受上級荷載作用時附加應力及墻背土壓力的計算方法。可見，針對多級加筋擋土墻，國內外均有了較明確的理論計算方法，但對多級擋土墻如何選取每級墻體的高度及相鄰錯臺寬度仍未明確。

3.2 加筋擋土墻破裂面的形狀

加筋擋土墻筋帶長度計算中需對破裂帶上下兩部分的高度進行劃分。對于加筋擋土墻中潛在破裂面的形狀，GB 50290-2012《土工合成材料應用技術規范》規定使用土工布等模量較低的土工材料時，加筋擋土墻內部破裂面按朗肯破裂面考慮；采用較高強度土工格柵等材料時，其內部破裂面為0.3H折線形。0.3H法主要適用于直立式擋土墻，而未考慮多級加筋擋土墻平臺的設置。根據極限平衡理論，擋土墻墻背側土體分為主動區、過渡區及穩定區3個區域，實際計算中應根據錯臺寬度與3個區域的關系分別討論。同時，實際工程中土工加筋材料的應變量通常不足1%，0.3H法的合理性有待探討。

3.3 土工加筋材料

目前加筋擋土墻主要采用的土工材料包括土工網、土工布、塑料土工格柵、鋼塑土工格柵等。在擋土墻內部，加筋材料與土體及擋土墻面板之間均存在作用力。加筋材料的內力不僅取決于土體強度與剛度、面板剛度這些相對恒定的指標，還受自身剛度的影響。由于加筋材料的蠕變特性，在荷載作用下其自身剛度將發生變化，采用規范公式中恒定材料剛度計算土工材料受力情況是否合理仍有待研究。不僅如此，目前土工材料的內力計算均假設內部最大應力出現在潛在破裂面附近，但有學者指出，由于填土與面板剛度相差較大，兩者之間產生的差異性沉降將使筋材與面板連接處產生一個連接力，當擋土墻高度較大時，該連接力甚至大于筋材與面板連接處的拉力。目前尚無關于該連接力的理論分析，規范中亦缺少這部分內容。

4 結語

多級加筋擋土墻計算包括外部穩定性計算及內部穩定性計算兩部分，其中外部穩定性計算與普通加筋擋土墻無異，而內部穩定性計算主要在于筋材長度與強度的計算。針對現有規范關于土工加筋擋土墻設計及計算的不足，提出以下問題：

(1) 現有土工規范主要針對單級直立式擋土墻，對于多級擋土墻錯臺寬度的設置及如何分級，規范仍有待完善。

(2) 現有規范針對破裂面形狀的0.3H法沒有考慮錯臺寬度的影響，實際計算中應結合極限平衡理論，根據錯臺寬度與主動區、過渡區及穩定區的關系分別討論。

(3) 計算土工加筋材料內力時，現有理論及規范缺少對加筋材料蠕變特性的考慮且忽略了填土與面板間差異性沉降的影響。