加筋土挡土墙设计与施工结构设计 21页

'加筋土挡土墙设计与施工结构设计1研究动态与发展趋势1.1研究动态土工加筋技术(EarthReinforcement)是一种在土工结构物中或者原位土体中埋设抗拉性能较好的材料而使系统力学特性能得到改善的土体加固方法。20世纪60年代，亨利（HenriVidal）提出了加筋土概念，1965年，法国修建了世界上第一座加筋土挡墙[1]。此后，该技术引起了世界的广泛关注。前西德《地下建设》杂志（1979年）曾誉之为“继钢筋混凝土之后又一造福人类的复合材料”[2]；70年代，国际上先后召开了加筋土技术的国际研讨会，并成立了“加筋土工程协会”等国际间的合作研究机构；80年代，许多国家在拓展填料、筋材的应用范围方面做了大量工作。西马克（Simac）[3]等人开展的土工合成材料取得了重要成果。20世纪90年代至今，加筋土的研究工作则主要集中在如下几个方面：（1）完善设计计算理论，并研究与其他加固技术的配合应用问题；（2）将加筋土看作匀质“复合材料”，采用有限元法和弹塑性理论进行分析研究；（3）研究加筋带的寿命；（4）加筋土体变形的因素和计算方法；（5）外载荷在加筋体内的扩散及其对加筋土体内部稳定的影响和加筋地基承载力计算等。在加筋土的设计方法上，仍以极限平衡法最为普遍，其次是有限元法。席德（Seed）[4]提出了位移法。后来，在加筋土设计方面，有些国家的设计人员开始采用极限状态法，但目前尚未被普遍使用。在试验研究方面，根据试验方法和条件的不同，可分为几个方面：性能试验、三轴试验、模型试验、原位试验。性能试验主要是得到筋材或者筋-土作用时的各种物理、力学指标，以便为数值分析和计算确定参数。戴尔(Dyer)[5]试验发现土和筋材间的摩擦角小于土本身的摩擦角。姚代禄发现加筋与土之间的剪切阻力比原压实土的剪切阻力有所降低，却增加了土整体强度[6]21 。吴景海通过格栅的拉拔试验得作用于横肋的被动土压力起主要作用[7]。林宇亮、杨果林研究了柔性网面土工格栅加筋土挡墙的工程特性，试验测试墙背侧向土压力、垂直土压力、筋带变形以及面墙变形情况[8]。在三轴试验中，通过施加围压和轴压来模拟土中一点的应力状态和所经历的路径。张孟喜设计了单层立体加筋砂土的试验方案，试验结果表明立体加筋砂土的强度随竖向筋的高度增加而增大[9]。王琛，雷运波等采用大型三轴剪切仪研究了CAT钢塑复合带加筋红土和对应素土的应力-应变关系[10]。模型试验包括室内静态模型试验和离心模型试验。静态模型试验是，用室内静态模型来间接模拟原型的试验，离心模型试验要求模型具有与原型相似的边界条件和受力状态[11]在包裹式挡墙的离心模型试验中，卡耐密(Konami)[12]认为若墙顶无超载，则墙面土压力沿着墙高近似线形分布，WongKS[13]认为是抛物线分布。杨果林通过模拟加筋土挡墙的铁路路基在动力荷载作用下的模型试验得出了加筋土挡墙路基的动态响应特性[14]；对基覆边坡的不同支挡结构在地震荷载下的动力特性进行数值模拟和振动台模型试验，研究了基覆边坡在压缩汶川波XZ双向激励下支挡结构基覆边坡加速度响应规律[15]。原位试验又称为现场试验，能够反映加筋工程的实际情况。克雷斯托普(Christopher)在现场试验中，发现面板上的侧压力与筋材、面板间连接情况有关[16]。杨果林针对支挡结构后膨胀力的实际情况，设计了一种侧向膨胀力的测试方法，发现：侧向膨胀力约为竖向膨胀力的25%[17]。邓国华、邵生俊等利用现场试验研究了膨胀土加筋挡土墙稳定性的影响因素[18]。我国的加筋土技术起步较晚但发展迅猛，全国先后共举行了5次加筋土技术经验交流会(武汉，1982年;昆明，1986年;重庆，1990年;济南，1994年;泰安，1998年)。铁道部先后在南昆线、京九线结合工程建设，开展了土工合成材料加筋挡土墙的研究，山西铜川公路工程中修建了高达51m的加筋土挡土墙工程。1.2发展趋势加筋土挡土墙的工作机理十分复杂，目前人们对加筋挡土墙的研究仍然很不成熟，许多问题值得进一步深入的研究和分析：（1）随着加筋材料和填料发展多样化，需要进一步研究筋材和填料之间的摩擦特性，进行多种交叉试验，为今后填料和拉筋的适配性选择提供指导和参考依据。（2）预张拉加筋土在国内和国外研究的比较少。杨果林[19]、杜运兴[20]、杨立伟[21]等对预应力加筋土进行了探讨，但是预应力加筋土的理论和研究方法还比较少，需要进一步的研究和发展。21 （3）地基土参数对加筋挡土墙工作性状的作用具有重要的意义，因此需要更深入的研究筋-土-地基之间的相互影响和作用，建立之间的互动关系。（4）加筋土挡土墙变形分析、计算和控制是今后加筋挡土墙设计和计算理论研究的一个重要课题。2特点及适用条件2.1加筋土挡土墙类型加筋土技术在公路、铁路、建筑、水利、煤矿等都得到应用，尤其是公路部门应用最广泛。常见的加筋土挡上墙形式有下列几种：（1）单面式加筋土挡土墙；（2）双面式加筋土挡土墙，其中又分为分离式、交错式以及对拉式加筋土挡土墙；（3）台阶式加筋土挡土墙。a单面式挡土墙b台阶式挡土墙c双面式挡土墙图1加筋土挡土墙类型图2加筋土挡土墙结构示意图2.2加筋土挡土墙的结构组成（1）墙面板：墙面板的主要作用就是防止拉筋间填土从侧向挤出，并能确保拉筋、墙面板和填料之间构成一个具有一定形状的整体。面板一般采用钢筋混凝土或者混凝土，预留泄水孔，为适应顶部和角隅处的构造要求，需设计角隅面板（图3）和异型面板（图4）。21 （a）凸部时用（b）凹部时用图3角隅面板图4异型面板图5面板基础要求（2）面板下基础：21 基础采用混凝土灌注或用浆砌片石砌筑，顶面可作一凹槽，以利于安装底面面板。对于土质地基基础埋深不小于0.5m，还应考虑冻结深度、冲刷深度等。土质斜坡地区，基础不能外露，其它要求如图5。（3）拉筋：拉筋应当具有较高的抗拉强度，有较强韧性，变形小，并且具有较好的柔性。（4）填料：填料必须便于填注和压实，并且应当与拉筋之间有可靠的摩擦阻力，不能对拉筋有腐蚀性。（5）帽石与栏杆：帽石设置在加筋土挡土墙顶面，一般为混凝土或钢筋混凝土结构。帽石应高出墙面3-5cm。栏杆高为1.0-1.5m，栏杆应埋在帽石中，以确保栏杆的坚固和稳定。2.3加筋土挡土墙的特点加筋土挡土墙能得到迅速发展和广泛应用是由于它具有以下特点：（1）组成加筋土的墙面板和拉筋可以预先制作，在现场用机械或人工分层填筑。（2）加筋土是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形，地基的处理也比较简单。（3）加筋土挡土墙具有一定的柔性，抗振动性强，因此，它也是一种很好的抗振结构物。（4）加筋土挡土墙节约占地，造型美观。（5）加筋土挡土墙造价比较低，加筋土挡土墙造价的节省随墙高的增加而愈加显著，因此它具有良好的经济效益。2.4加筋土挡土墙的适用条件加筋土挡墙是柔性结构，可承受地基较大的变形，对于地基承载力的要求相对较低，可承受荷载的冲击、振动作用。用于一般地区的路肩式和路堤式挡土墙、缺乏石料及大型填方工程、占地受限的高大支挡结构物中，但不应修建在滑坡、水流冲刷和崩塌等不良地质地段，在挖方路段或地形陡峭的山坡，由于不利于布置筋带，一般也不使用。21 3结构设计及力学计算方法3.1加筋土挡土墙破坏形式通过大量的模型试验和工程实践表明，加筋土挡土墙通常有如下三种破坏形式：（1）拉筋断裂造成挡土墙破坏，包括：拉筋强度不足、拉筋与面板连接能力不足、超载、拉筋腐蚀。（2）拉筋与土间结合力不足造成挡土墙破坏。（3）因外部不稳定造成挡土墙破坏，包括：地基承载力低、沿基底抗滑稳定性不足、抗倾覆能力不够。（a）拉筋拔出破坏（b）拉筋断裂（c）面板与拉筋接头破坏（d）面板断裂（e）贯穿回填土破坏（f）沿拉筋表面破坏图6加筋土挡土墙内部产生的破坏形式（a）土坡整体失稳（b）滑动破坏（c）倾覆破坏（d）承载力破坏图7加筋土挡土墙外部产生的破坏形式3.2加筋土挡土墙设计步骤加筋土挡上墙的设计步骤一般如下：21 （1）首先根据挡土墙的用途、所处位置，拟定加筋土挡土墙的平面、纵断面及横断面形式（图8），筋体长度一般取0.8H（H为挡上墙高度）。（2）确定地基及填料的各项参数，以及作用于墙上的各项荷载。（3）进行内部稳定性计算，包括拉筋强度检算、抗拔稳定检算、面板结构设计等。（4）外部稳定计算，包括加筋体抗（水平）滑动稳定、抗倾覆稳定、基底合力偏心距、地基承载力检算。（a）矩形（b）到梯形（c）正梯形（d）锯齿形图8加筋体典型横断面3.3加筋土挡土墙设计及计算加筋土挡土墙结构计算主要分为两大部分，一是内部稳定性分析，二是外部稳定性分析。内部稳定性分析包括拉筋强度检算、抗拔稳定检算、面板结构设计等。外部稳定性分析计算是要解决筋土形成的复合体墙的抗(水平)滑动稳定、抗倾覆稳定、基底合力偏心距、地基承载力检算。规范[22]规定稳定性分析时，拉筋锚固区和非锚固区的分界可采用0.3H分界线，路肩墙加筋体上填土厚度应计入墙高内。内部稳定性计算时应将路堤墙加筋体上填土换算成等代均布填土荷载（图9），荷载土柱高应按下式计算：21 （1）式（1）中：一填土换算荷载土柱高（)，时取；一边坡坡率；一墙高（)；一墙顶以上堤坡脚至加筋面板的水平距离（)；当进行外部稳定检算时，加筋挡土墙墙顶以上填土荷载应按填土几何尺寸计算。图9拉筋锚固区与非锚固区分界线（1）土压力计算水平土压应力应按下式计算：（2）当时，；当时，；，（3）式（2）、（3）中：21 图10土压力计算系数墙顶面荷载产生的水平土压应力按弹性理论条形荷载考虑：（4）式（4）中：21 图11墙顶面荷载计算图示作用于墙面板的水平土压应力为填料和荷载产生的水平土压应力之和，应按下式计算：（5）当考虑地震作用时，（6）（7）式（5）、（6）、（7）中：拉筋所在位置的垂直压力为填料自重压力与荷载产生的压力之和，应按下式计算：（8），（9）式（8）、（9）中：一第层面板所对应拉筋上的垂直压应力（）；一计算点、至荷载中线的距离（)。21 （2）内部稳定计算①拉筋拉力计算（10）式（10）中：拉筋拉力不应大于拉筋的容许抗拉强度，当采用土工合成材料时；当采用钢筋混凝土板条时式中：一加筋材料极限抗拉强度()；一拉筋考虑铺设时机械损伤等因素时的影响系数，应按实际经验确定，无经验时可采用2.5-5.0；当施工条件差、材料蠕变性大时，取大值；一拉筋容许拉应力()；—扣除预留锈蚀量后拉筋截面面积()。②拉筋抗拔力应根据拉筋上、下两面所产生的摩擦力按下式计算：（11）式（11）中：③拉筋抗拔稳定性应包括有荷载和无荷载两种情况，并按规定，分别检算全墙抗拔稳定和单板抗拔稳定。全墙抗拔稳定系数不应小于2.0，可按下式计算：21 （12）式（12）中：④拉筋长度的设计按下列原则并满足挡土墙内部稳定的要求统一、协调考虑采用。a、墙高小于3m时，采用等长拉筋，拉筋长度≥3.0m；b、墙高大于3m时，拉筋最小长度≥0.8H，且≥5.0m；c、墙高大于3m时，可以考虑变换拉筋长度，但采用不等长拉筋时，同等长度拉筋的墙段高度≥3.0；d、一处挡土墙拉筋不宜多于3种长度，相邻不等长拉筋的长度差≥1.0m；e、采用钢筋混凝土板条作为拉筋材料时，每节长度不宜大于2.0m。⑤墙面板设计应符合下列规定：a、作用于单板上的水平土压力应按均匀分布考虑；b、单板可沿垂直向和水平向分别计算内力；c、墙面板与拉筋连接部分应加强配筋;d、墙面板采用的钢筋棍凝土预制构件，应根据现行《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》[23]按双向悬臂梁进行单面配筋设计；e、包裹式加筋土挡土墙钢筋混凝土墙面板可按构造要求配筋。（3）外部稳定计算①挡土墙沿基底的抗滑动稳定系数Kc应分别按下列公式计算：不考虑抗震：（13）考虑地震：21 （14）（15）实体墙抗滑稳定系数不应小于1.3，计入附加力时，不应小于1.2，考虑地震作用时，不应小于1.1。式（13）、（14）、（15）中：铁路工程路基手册[24]中给出各种边界条件下计算公式，可根据手册中的公式计算的值。需要说明的是，手册中的墙后填土综合内摩擦角、墙与墙后填土的外摩擦角、墙后填土重度均未考虑地震作用，当考虑地震时，均采用修正值，、、，为地震角。21 图12加筋实体墙墙后主动土压力计算基底与地层间的摩擦系数，宜根据试验资料确定。在有经验时，也可采用表3所列值。土与墙背间的摩擦角应根据墙背的粗糙程度、土质和排水条件确定。有经验时，也可按表4所列数值采用。②倾覆稳定21 不考虑抗震：（16）考虑抗震时：（17）实体墙抗倾覆稳定系数不应小于1.6计入附加力时，不应小于1.4，考虑地震作用时，不应小于1.2式（16）、（17）中：③基底合力的偏心距：（18）土质路基应满足,而岩石地基满足。式（18）中：④地基承载力实体墙基底压应力应满足地基承载力的要求，按下式计算（20）21 式（20）中：⑤整体滑动稳定整体稳定性检算采用圆弧滑动体的条分法。其计算简图如图13所示。（21）式（21）中：土块抗滑力矩（22）式（22）中：加筋抗滑力矩（23）式（23）中：21 土块的滑动力矩（24）式（24）中：地震作用的滑动力矩（25）式（25）中：一第条块质心与圆弧圆心的距离（）；圆弧中心的坐标，半径及条块宽度的选择为任意的。条块宽度一般取1m，圆弧中心坐标和半径给定一个范围，按照一定的步长进行检算，找出的最小值。图13整体滑动稳定4加筋土挡土墙施工工艺4.1施工前准备工作（1）施工测量：认真组织好线路中线、边线、墙面板、基础标高、测量、。（2）施工场地的处理：施工前仔细对施工现场进行勘查。21 （3）在工地附近选择一场地进行面板的预制。4.2加筋土挡土墙施工工艺图14加筋土挡土墙施工工艺（1）基坑施工21 开挖基坑，并予以夯实，现浇或铺设预制的混凝土基础，为防止地表水、地下水侵入加筋土体，在基础下和加筋土体后而应设置排水层在土体后侧表面修筑截水沟。（2）面板制作及安装混凝土及钢筋混凝土面板，可在工厂或工地预制，运至现场安装。面板安装必须挂线施工，保证墙面板的竖直，水平安放，最下一层面板与基础连接处宜用坐浆，安装面板可向内倾斜1/100-1/200，作为填料压实时面板外倾的预留度。（3）筋带铺设 筋带与面板的连接，将筋带从面板的预留孔中穿过，并绑扎以防止抽动，避免筋带在孔上绕成死结。筋带铺设在压实平整的填料上，不宜重叠，不得卷曲或折曲。筋带不得与硬质棱角填料直接接触。筋带在铺设时，用钢筋将筋带拉紧，再用少量填料压住筋带，使之固定并保持正确位置。（4）填料摊铺、压实 面板后按1：1放坡回填砂砾，砂砾根据筋带竖向间距进行分层摊铺和压实。摊铺采用人工配合机械的方式进行，摊铺厚度均匀一致，表面平整，横坡度不小于3%。每层厚度不得大于20cm。填料填筑时，随时检查含水量是否满足压实要求，每层填料填筑完毕及时碾压，填料应严格分层碾压。（5）防水、排水和其他工程的施工。①施工前先完成场地排水，以保证正常施工。②当加筋土工程区内出现层间水、裂隙水、涌泉时，先修筑排水构造物，再做加筋土工程。③加筋土工程中的反滤层、透水层、隔水层等防排水设施按设计要求与加筋土体同步施工，路肩式加筋土挡墙，对路肩部分进行封闭。④加筋土体完工后，按设计要求及时修筑护脚，其质量必须符合施工规范要求。4.3施工中应注意的问题加筋土挡土墙在施工过程中应注意以下几个方面：（1）基础处理问题。注意面板和筋床基础不相同而发生不均匀沉降。（2）填料的压实厚度及密度问题。应按施工规范和设计要求，严格分层压实，密实度逐层检测。（3）施工排水问题。一是降雨应采取常规措施予以遮盖或及时排走；二是如有地下水应采取盲沟或滤水管及时排走。21 （4）筋带与面板连接问题。筋带与面板的连接方式：一种是面板预埋钢拉环，其筋带受力集中，易破损断裂。在钢拉环上设专用的高强度塑料套管，增大弯曲半径。另一种是面板预留混凝土孔，预留孔不圆滑光洁对筋带损伤很大。可采用在筋带与孔接触部分垫砂浆、橡胶等。5结论结合加筋土挡土墙国内外研究动态，对加筋土挡土墙结构发展趋势进行了总结，并参考路基支挡结构设计规范，系统的介绍了加筋土挡土墙的设计方法、施工工艺。得出结论如下：（1）随着加筋材料和填料发展多样化，筋材和填料之间的摩擦特性研究、预张拉加筋土、地基土参数对加筋挡土墙工作性状的作用、加筋土挡土墙变形分析、计算和控制是今后加筋挡土墙的研究重点。（2）加筋土挡土墙的结构设计主要包括：内部稳定性分析和外部稳定性分析。内部稳定性分析主要解决筋带的设置问题，保证筋上形成复合体能共同作用；外部稳定性分析计算是解决筋上形成的复合体墙的抗水平滑动稳定、抗倾覆稳定及基础底面地基承载力等问题。（3）加筋土挡土墙的施工工艺的重要环节包括：施工准备 →基础施工 →构件预制 →安装面板 →筋带铺设→填料摊铺 →碾压 →附属工程。参考文献[1]陈忠达.公路挡土墙设计.第1版[M].北京:人民交通出版社1999，125-170.[2]杨果林.加筋土挡墙动力特性研究.[中南大学博士学位论文].[D]长沙:中南大学土木建筑学院，2001,3-6.[3]SimacMR,ChristopherBR,BonczkiewiczC.Instrumentedfieldperformanceofa6mgeogridwall.In:Proceedingsof4thInternationalConferenceonGeotextile,GeomembranceandRelatedProducts.Netherlands,1990,53-59.[4]SeedHB,WhitmanRV.Designofearthretainingstructuresfordynamicloads.In:ASCESpecialtyConference.Ithaca,1970,103-147.[5]DyerNR,MilliganGWE.Aphotoelasticinvestigationoftheinteractionofohesionlesssoilwithreinforcementplacedatdifferentorientations.In:ProceedingsofInternationalConferenceonSoilandRock,reinforcement.Houston,1984,257-262.[6]姚代禄.加筋土挡墙中加筋与土之间的摩擦系数性质初探[J].岩土工程学报，1989,11（1）:49-54.[7]吴景海，陈环等.土工合成材料与土界面作用特性的研究.岩土工程学报[J].2001，23(1):90-93.[8]林宇亮，杨果林等.柔性网面土工格栅加筋土挡墙工程特性[J].中南大学学报(自然科学版)，2013,4（4）:1532-1538。[9]张孟喜，闵兴.单层立体加筋砂土性状的三轴试验研究.岩土工程学报[J].2006,8（8）：931-935.21 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