臺階式加筋土擋墻模型設計研究

麻琳琳，李伯瀟

（青島城市學院，山東 青島 266000）

0 引言

加筋土擋墻是指在回填土中分層鋪設高模量抗拉筋材，共同構成坡度較陡或直立的復合擋土結構[1]；與傳統擋土結構相比，加筋土擋墻具有工程成本低，施工簡單方便等特點。其中，筋材土工格柵獨特的縱橫相連結構形式能夠在一定程度上控制填土的局部變形，減小擋墻水平位移，提高土的整體穩定性。但目前對加筋作用機制的研宄以及設計方法等還滯后于實際工程應用，理論分析還依托于模型。模型試驗是加筋土擋墻領域開展力學與變形性能分析的重要手段，為準確預測原型加筋土擋墻動力特性和變形與力學規律，選擇合理的模型試驗是必要的[2]。本文通過沙箱模型試驗，獲得臺階式加筋土擋墻的受力性能數據，驗證設計的可行性和可靠性。通過模型試驗分析和研究臺階式加筋土擋墻的設計和方案優化，對于推廣和應用該新型土工結構，提高工程建設的安全性和經濟性具有重要意義。本文將通過設計方案對比進行闡述。

1 設計方案一

1.1 筋條布置

優化的筋條布置方案如圖1 所示，以改進臺階式加筋土擋土墻的穩定性和抗側壓力能力。

圖1 方案一筋帶位置和面板及其折疊、裁剪（單位：cm）

優化方案中所選用的筋帶規格參數如圖2 所示，每條筋帶寬度為2cm，考慮到筋帶與面板的連接長度2cm/條，則所需筋材用量如下：2×（60+2）×4+2×（40.8+2）×3+2×（28.8+2）×4+2×（48.25+2）×4+2×（39.2+2）×3+2×（30+2）×4=1904.4cm2，則所需筋材質量為120g×1904.4/3600=63.48g。

圖2 筋帶長度

1.2 理論驗算

1.2.1 面板后填料產生的水平土壓力

（1）Ⅱ級擋墻設計如式（1）～式（3）所示。

1.2.2 填料上荷載產生的土壓應力

填料上荷載產生的土壓應力如式（7）所示。

當hi≤btan60°時，li＇=l0+2hitan30°；當hi＞btan60°時，li＇=b+l0+hitan30°。

式中：γ=17.2kN/m3；hi——第i 層拉筋所在處的填土深度；h0——當量土層厚度；l0——當量土層長度；li＇——第i 層拉筋所在處。

（1）Ⅱ級擋墻設計如式（8）～式（10）所示。

則擋土墻所受水平總壓力計算如式（14）～式（19）所示。

1.2.3 拉筋所受垂直應力計算

拉筋所受填土產生的豎向應力計算如下。

（1）Ⅱ級擋墻設計如式（20）～式（22）所示。

拉筋所受豎向附加荷載產生的豎向應力計算如下。

（1）Ⅱ級擋墻設計如式（26）～式（28）所示。

（2）Ⅰ級擋墻設計如式（29）～式（31）所示。

則拉筋所受垂直總應力計算如式（32）～式（37）所示。

1.2.4 拉筋所受拉力計算

拉筋所受拉力計算如式（38）所示。

式中：Ti——第i 層拉筋所受拉力；Sxi——第i 層拉筋間的水平間隔；Syi——第i 層拉筋與第（i-1）層拉筋之間的豎直距離。

（1）Ⅱ級擋墻設計方面，由圖1 可知：Sx1=Sx3=0.13m，Sx2=0.13 +0.06 =0.19m，Sy1=0.045m，Sy2=Sy3=0.075m。

則可得式（39）～式（41）。

（2）Ⅰ級擋墻設計方面，由圖1 可知：Sx4=Sx6=0.13m，Sx5=0.13+0.06=0.19m，Sy4=0.05m，Sy5=Sy6=0.075m。

則可得式（42）～式（44）。

1.2.5 拉筋長度計算

拉筋長度由無效長度和有效長度兩個部分組成。Ⅱ級擋墻初步設計長度一般大于0.7H 或2.5m，若墻頂有填土或集中荷載作用時，應大于0.8H～1.1H；Ⅰ級擋墻加筋長度應大于等于0.6H（H=H1+H2），通過驗算擋墻的內外穩定性來判斷初始長度是否符合要求。拉筋長度計算如下。

設Lb1=2.5H=0.6m，Lb2=1.7H=0.408m，Lb3=1.2H=0.288m。

設Lb4=1.93H=0.4825m，Lb5=1.568H=0.392m，Lb6=1.2H=0.3m。

則可得式（49）～式（54）。

式中：Li——第i 層拉筋所需的長度；Lai——第i 層拉筋中的無效長度；Lbi——第i 層拉筋中的有效長度。

筋材與擋土墻面的連接方式為在每根筋帶左端起2cm 位置處將筋帶（牛皮紙）折起作為與擋土墻面的連接部分，用膠帶橫向將筋帶折起部分與擋土墻面連接在一起。牛皮紙與面板連接方式如圖3 所示。

圖3 牛皮紙與面板連接方式

1.2.6 結論

設計方案一的沙箱模型試驗成功，靜載和動載的試驗均達到預期要求。通過分析加筋土擋墻結構中填土粘聚力和內摩擦角對擋墻面板變形的影響，確定填土參數變化對擋墻面板變形的影響規律；根據加筋土擋墻結構中各影響因素分析結果，提出加筋土擋墻設計優化建議。

加筋材料的布設是加筋土擋墻結構設計的重點，當拉筋長度過短時，無法起到預設加筋效果；過長對結構穩定性無意義。在以上分析基礎上對設計方案一進行優化，得到設計方案二。

2 設計方案二

優化措施如下。

（1）筋條寬度減少。每條筋帶寬度調整為1cm。

（2）筋條連接長度減小。筋帶與面板的連接長度調整為1.5cm。

（3）所需筋材用量為1×（60+1.5）×4+1×（40.8+1.5）×3+1×（28.8+1.5）×4+1×（48.25+1.5）×4+1×（39.2+1.5）×3+1×（30+1.5）×4=941.2cm2。

（4）調整布置方式，將拉筋調整為環狀，加筋體中拉筋斷裂或從填土中被拔出都會造成加筋土擋墻破壞[3]；所以需要調整拉筋布置，上下墻的布置方式如圖4 所示。

圖4 上下墻的布置方式

方案二的模型試驗相比方案一能更好地承受靜載和動載的加持，同時降低材料用量，提高整體結構安全性和經濟性。

3 結語

大量實踐與理論研究表明，臺階式加筋土擋墻分級模式（分級數、分級墻高和臺階寬度）、填土與地基土性質、筋材參數等是影響其性能的重要因素[4]。綜上所述，進行沙箱模型觀測和試驗，主要分析參數包括界面摩擦系數、墻后填土粘聚力及內摩擦角、筋材垂直間距、加筋長度等；通過參數調整，模擬臺階式加筋土擋土墻工作性狀與加筋機制，得出新設計思路，進一步提高設計、施工等方面的技術水平和應用效果，為加筋土擋墻進一步研究做好基礎準備。