新型加筋格賓擋墻在用地受限高填方路基中的應用研究

張玉東,陳延偉,李本云

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

高速公路跨度大、布設方式靈活多樣，項目建設中常通過減少橋梁增加填方來消耗棄方或節(jié)約投資，但是當填方較高時又存在安全風險和用地問題。近些年來，國內(nèi)鐵路公路等行業(yè)對加筋格賓擋墻在填方路基中的應用取得了較大的研究進展，采用加筋格賓擋墻進行填方收坡，既能解決填方占地較大的問題，又能保證填方安全穩(wěn)定。如，楊乃彬等在某高速中采用新型綠色加筋格賓擋墻進行填方支擋，節(jié)約了農(nóng)田用地；王錦結合工程實例評價了加筋格賓擋墻的優(yōu)勢；楊文娟等在山區(qū)公路中采用加筋格賓擋墻，并進行了大量計算分析，驗證方案的穩(wěn)定性；楊文江等對比了加筋格賓擋墻與傳統(tǒng)擋墻。該文以工程實例介紹了在用地條件限制下，采用一種新型綠色加筋格賓擋墻對填高超過30 m 的高填方路基進行收坡處理的設計應用方案，并對高填方路基穩(wěn)定性進行計算分析，評價高填方邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程項目概況及難點

滇中某高速公路高填方路基位于K46+600～K46+900段，長300 m，地形呈深V 溝谷。根據(jù)地勘報告，場地上覆碎石土和含碎石粉質(zhì)黏土，為第四系殘坡積層（Qel+dl），其中，含碎石粉質(zhì)黏土主要分布于場區(qū)中部平緩地段及路線縱向大樁號側，區(qū)內(nèi)總體厚度在2～10.0 m 之間，鉆探揭露厚度1.8～9.0 m；碎石土主要分布于路線縱向小樁號側，區(qū)內(nèi)總體厚度在0～8.0 m 之間，鉆探揭露厚度2.0～5.1 m；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)張河組（J2z）中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖夾長石砂巖、粉砂巖，其中，強風化粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖中厚層狀，呈紫灰或紫紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、塊狀，施工鉆探揭示厚度1.0～3.6 m。區(qū)內(nèi)地下水的類型主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水靠大氣降水垂直補給，地下水埋深較深。谷流水屬于季節(jié)性徑流。場區(qū)無不良地質(zhì)，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震動峰值加速度為0.15 g，場區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。各巖土體主要物理力學參數(shù)取值如表1 所示。

表1 巖土物理力學參數(shù)取值

工程區(qū)域屬于某水庫水源二級保護區(qū)，路線縱向橫跨山間溝谷，位于路線兩長隧道之間，施工階段為消耗隧道洞渣，取消原設計橋梁方案，變更為填方路基通過，填方位于溝谷內(nèi)，填方路堤中心最大填高36 m，底部地勢平坦寬闊，地基較好。但是由于路線左側距離水庫水源一級保護區(qū)較近（路基邊緣距水源一級保護區(qū)40.38 m），且在一級保護區(qū)與二級保護區(qū)之間還有一條省級道路通過。如果按常規(guī)的填方邊坡坡率（1 ∶1.5～1 ∶2）放坡，一定會占到省道和一級水源保護區(qū)，因此，必須采用一種既能減少占地又能保證高填方邊坡安全穩(wěn)定的防護措施。

2 新型加筋格賓擋墻及設計方案

2.1 新型加筋格賓擋墻介紹

加筋格賓屬于加筋土領域的結構系統(tǒng)。加筋土是將抗拉性能比較好的材料預埋在土中，充分利用其抗拉性能，繼而形成一種整體穩(wěn)定性相對較高的復合體，通過加筋材料和填土材料之間存在的相互摩擦力共同承受外力作用[1]。該文介紹的新型加筋格賓擋墻是由六邊形雙絞合鋼絲拉筋網(wǎng)面組合成的（如圖1 所示），是一種柔性、透水性、整體性良好的結構，其中網(wǎng)面鋼絲為鍍鋅覆高耐磨有機涂層低碳鋼。因此，該結構在工程應用方面具有很大的優(yōu)勢，如占地面積小、對地基的承載力要求低、綠化效果好、在大型工點中經(jīng)濟性好等。新型加筋格賓擋墻的筋帶網(wǎng)面與面墻采用無節(jié)點連接，這種連接方式力學性能穩(wěn)定，還能夠提高施工效率，具有很大的優(yōu)勢。墻面形式一般采用直立式或者退臺式，墻面網(wǎng)箱內(nèi)填充不易風化的石塊，當填方較高時采用分級直立式或分級退臺式。其中退臺式墻需要根據(jù)設計坡率設置退臺寬度，一般為0.15～0.5 m，這樣也便于臺面和墻面綠化。加筋格賓擋墻有很多優(yōu)勢，它布設形式多樣，具有良好的適應性，可以根據(jù)地形進行靈活布置，同時其抗震性和抗往復動荷載能力也很好，在工程實際中解決蠕變等問題[2]。因此，加筋格賓擋墻在很多工程領域得到廣泛應用。

圖1 新型加筋格賓擋墻鋼絲網(wǎng)面部

2.2 高填方邊坡設計方案

高填方路基路堤中心最大高度達36 m，為避免占到省道和水源一級保護區(qū)，必須減少占地。設計中采用新型加筋格賓擋墻退臺式墻方案增大邊坡坡率（1∶0.75～1∶1），邊坡坡率依據(jù)省道的平曲線布設，格賓擋墻設計兩級邊坡，高度分別為9 m 和12 m，平臺寬度為2 m，坡腳設置混凝土擋土墻收坡固腳，邊坡占地距離不到25 m，有效解決占地問題，如圖2 所示。加筋格賓擋墻的面墻為鍍鋅覆高耐磨有機涂層低碳鋼組合的格賓網(wǎng)，單元規(guī)格為100 cm*80 cm，網(wǎng)面標稱拉伸強度不小于42 kN/m，網(wǎng)面標稱翻邊強度不小于35 kN/m，內(nèi)部采用強度等級不低于MU30 的不易風化的質(zhì)地堅硬石料干砌。墻后采用特殊的高韌性聚酯紗線集束格柵進行結構填土，這種特殊格柵須滿足設計力學要求，方案中的集束格柵采用超聲波焊接而成，格柵條帶外覆PEPE 鞘套保護層。根據(jù)驗算，墻后的格柵水平長度設置20 m 或25 m，垂直間距為1 m。加筋土路堤及后緣非加筋部分路堤應嚴格按照相關規(guī)范進行施工。

圖2 新型加筋格賓擋墻典型橫斷面設計圖

3 高填方穩(wěn)定性分析評價

3.1 穩(wěn)定性計算方法

3.1.1 加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性計算

采用該文介紹的新型加筋格賓擋墻的填方路堤屬于加筋土結構，加筋土結構內(nèi)部穩(wěn)定性計算包含兩方面：

（1）首先計算單根筋帶的抗拉能力，在進行筋帶布設時，應先進行預估計算，以此來確定筋材的強度和布設間距。

（2）考慮筋材作用，首先根據(jù)條分法原理，計算加筋結構塊，內(nèi)部穩(wěn)定性，然后調(diào)整筋材布設方案，如筋材的強度、水平間距、垂直間距以及筋帶長度等，以使筋材的布設方案更加合理、經(jīng)濟，該過程需要反復調(diào)試優(yōu)化以使方案安全經(jīng)濟，計算量較大，因此必須采用相應的軟件來計算。

3.1.2 筋帶抗拉強度的確定

加筋格賓第i層筋材所受水平拉力Ti等于該層筋材受到的水平土壓應力（包含加筋土填料作用于深度zi處的水平土壓應力、車輛附加荷載作用于深度zi處的水平土壓應力、加筋體頂面以上填土重力換算均布土厚所引起的深度zi處的水平土壓應力）與筋材間距之積[3]，即：

式中，vσΔ ∑ ——超載擴散至zi深度處垂直附加應力，荷載擴散線的斜率為2 ∶1，擴散線與墻背交點以下部分須考慮土壓力作用（kPa）；r1—— 加筋土填料重度（kN/m3）；r2——加筋體頂面以上填土重度（kN/m3）；h——加筋體頂面以上填土換算等代均布土厚度（m）；Sv——筋材垂直間距（m）[3]。

筋材強度條件應符合下式要求：

式中，Timax——各層筋材中最大水平拉力（kN/m）；Ta——筋材允許抗拉強度（kN/m）。

3.1.3 內(nèi)部整體穩(wěn)定性驗算

對于內(nèi)部整體穩(wěn)定性的驗算，通過軟件進行，即利用簡化Bishop 法原理，搜索最不利滑動面，所得到的滑面中近似包含了0.3H 折線破裂面和朗肯破裂面。簡化Bishop 法計算每個土條兩側條間力，保證整體力矩和土條垂直力的平衡，其假定的滑動面為圓弧形，并考慮了安全系數(shù)，即抗滑力矩和下滑力矩之比。

加筋單元在截斷滑動面區(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)如下：

式中，ci、φi——第i條塊滑動面處黏聚力和內(nèi)摩擦角；bi——第i條塊滑動面處弧長（m）；Wi——i條塊自重及其荷載重（kN）；αi——第i條塊滑動弧的法線與豎直線夾角（°）；Pi——穿過破裂面的第j道筋帶抗拔力（kN）；θi——穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線夾角（度）[4-6]。

3.1.4 整體穩(wěn)定性驗算

按設計要求墻后填土分布較均勻，因此同樣采用簡化Bishop 法進行整體穩(wěn)定性分析，計算軟件為MacStars 軟件。

3.2 高填方設計方案穩(wěn)定性評價

根據(jù)現(xiàn)場踏勘及施工圖設計階段工程地質(zhì)勘察資料，利用Macstars 軟件對高填方路基新型加筋格賓擋墻進行內(nèi)部和整體穩(wěn)定性計算，并與規(guī)范要求進行對比（如表2），可見加筋土內(nèi)部及整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，高填方路基安全穩(wěn)定。

表2 穩(wěn)定性計算結果

4 結語

該文介紹的工程案例，由于填方高度較大，通過計算分析并對加筋格賓擋墻進行合理設計，穩(wěn)定性計算結果證明該方案能夠保證高填方的邊坡穩(wěn)定。通過采用新型加筋格賓擋墻增大邊坡坡率，減少了占地范圍，也實際解決了該工點用地受限的問題。新型加筋格賓擋墻具備一些傳統(tǒng)支擋方案所不具備的特點和優(yōu)勢，在今后更多的工程建設中必能發(fā)揮作用，解決更多工程實際問題。