采用加筋垫层处理公路挡墙下软弱地基的设计方法

杨文江

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高速公路挡墙基底的软弱地基处理措施中，垫层法以其施工简单、造价低廉、处治效果良好而被广泛应用。但是，垫层法在实际应用过程中由于受垫层材料本身的应力扩散角有限且过厚的垫层不经济的局限。同时根据《建筑地基处理技术规范》的要求，当垫层厚度与基础宽度之比小于0.25时，不考虑垫层的应力扩散效应，垫层则起不到扩散应力，提高地基承载力的效果。由此，对于地基承载力要求较高而基底承载力又过低的挡土墙，不得不放弃垫层法而采用其他相对工艺复杂的处治措施。加筋垫层则通过在普通垫层中加铺水平向土工筋带的措施，提高了垫层结构的抗剪性能和整体稳定性，垫层的应力扩散角也随之扩大，从而使得垫层上部的附加荷载通过加筋垫层应力扩散后的应力值较普通垫层应力扩散后的应力值明显减小，且不受垫层厚度与基础宽度之比小于0.25时，应力扩散角为零的限制。然而，由于目前公路相关设计规范尚未涉及到这方面内容，因此山西省高速公路中挡墙基底处理中加筋垫层应用较少。本文将具体通过工程实例介绍加筋垫层在高速公路挡墙基底处理中的应用。

1 原理分析

垫层中加铺土工筋带后，在荷载作用下，筋带与垫层粒料界面的摩擦作用限制了垫层材料的侧向位移，等效于为垫层施加了一侧向约束，避免复合垫层的剪切破坏、侧向挤出和隆起，从而使垫层的整体性能和刚度提高，扩大垫层的应力扩散角，有利于荷载在传递过程中的扩散，使得垫层基础荷载能够在有限的垫层厚度范围内应力得以有效地分散减弱，降低对下卧层的承载力要求值；同时，通过材料界面摩擦作用，复合垫层中的筋带在荷载作用下产生内应力，通过筋带的高强抗拉强度使得筋带承担部分荷载，从而提高了垫层的承载力。

2 采用加筋垫层进行地基处理的设计方法

采用加筋垫层进行地基处理的设计内容包括加筋垫层中加筋材料和垫层材料的选择、垫层厚度的确定与垫层加筋层数和层间距的确定、加筋垫层层底承载力和沉降的验算。

2.1 加筋材料的选择

参考《化工建(构)筑物地基加筋垫层技术规程》HG/T 20708—2011，加筋材料可选择GSLD/GSA塑钢土工复合筋带和SLLD/GF塑玻土工复合筋带。加筋垫层中的加筋应具有抗拉强度高、拉力状态下延伸率小，耐久和抗腐蚀性能好，柔韧性好，材料表面与垫层填料间具有足够的摩阻力等特点。加筋材料宜选择双向网状土工格栅，其具体包括加筋材料的物理性能和力学性能两个方面：

a)力学性能 抗拉强度应大于120 MPa,伸长率宜为2%～3%之间,似摩擦系数大于等于0.5，偏斜率小于0.01 mm/m。

b)物理性能 物理性能应满足表1要求[1]。

2.2 垫层材料的选择

垫层材料可根据工程就近原则，按照设计承载力要求选用级配碎石、砂砾、粗砂和灰土等。垫层应按《建筑地基处理技术规范》要求进行压实，压实度不低于规范要求值。粒料垫层同时应满足规范中对垫层材料的各项技术指标要求，灰土垫层宜采用三七灰土。

表1 加筋垫层筋带物理力学指标表

2.3 加筋垫层厚度的确定与垫层加筋层数和层间距的确定

2.3.1 构造要求

参考《化工建(构)筑物地基加筋垫层技术规程》HG/T 20708—2011和《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012，加筋垫层需满足如下构造要求：

a）加筋垫层中的首层筋带距垫层顶面的距离(首层距 μ)应为 0.3 h(h为垫层厚度)。

b）多层筋带的层间距ΔH应为0.3 h～0.5 h且不小于200 mm。

c）土工复合筋带的中心距离宜取250～500 mm，加筋线密度LDR（筋带宽度与筋带间水平距离之比）宜取12%～17%且不宜大于20%。

d)垫层边缘处，土工复合筋带应反包回折压入垫层，当垫层宽度大于5 m时，回折长度宜为不小于2.5 m，并伸入到挡墙基础垂直投影范围内，当垫层宽度小于5 m时，土工筋带回折后进行搭接，搭接长度不小于1 m，同时搭接部分位于挡墙基础垂直投影范围内。

e)土工复合筋带的连接宜采用搭接法，搭接长度不应小于1 m。

f)土工复合筋带不得直接置于垫层底面与原状土接触。

g）加筋垫层的厚度应控制在0.5～3.0 m之间。

h）加垫垫层顶宽应宽出基础底两侧不小于0.3 m，垫层底宽应满足基底应力经垫层扩散后的宽度，并根据施工要求适当放宽。

i）加筋垫层在进行地基承载力验算时，不受垫层厚度h与基础宽度b之比小于0.25时应力扩散角为零的限制[1-2]。

2.3.2 地基软弱下卧层承载力验算

公路挡墙下地基软弱下卧层承载力验算可根据条形基础软弱下卧层顶附加应力值计算公式，即

式中：pz为相应于荷载效应标准组合时,软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；b为条形基础底宽，m；z为垫层厚度，m；pc为基础底面处土的自重压力值，kPa；pk为相应于荷载效应标准组合时,基础底面处的平均压力值，kPa；θ为垫层应力扩算角，垫层应力扩散角可参考表2[3]。

表2 垫层应力扩散角

2.4 加筋垫层加筋材料强度

加筋垫层中加筋材料强度应符合下式规定：

式中：TP为加筋垫层中加筋材料作用力，TP=pzfs/mc，fs为似摩擦系数，可取0.52～0.54，mc为加筋材料影响系数，一般取值为4～6[2]；Ta为加筋材料设计抗拉强度。

3 工程实例

某高速公路路肩墙，墙高8 m，挡墙顶宽1.46 m，墙面坡与墙背坡坡度均为1∶0.25，基底设有1∶10的反向坡并设有无筋扩展基础，扩展基础宽0.3 m，高0.7 m。挡墙基底宽度为2.12 m，基础埋深为1.71 m。挡墙要求地基承载力墙趾处为252 kPa，墙踵为64 kPa。在施工过程中，基础开挖至设计基底标高后经地基承载力检测持力层地基承载力为120 kPa,且持力层厚度为5 m。需对地基进行处理，以提高持力层的承载力。

采用普通砂砾垫层与加筋砂砾垫层分部进行地基处理计算比较。

持力层土层容重取18 kN/m3，砂砾垫层容重取21 kN/m3，地基承载力深度修正时的深度修正系数ηd=1.5。普通砂砾垫层扩散角取30°，加筋垫层将采用3层以上加筋，因此扩散角值采用38°。

3.1 采用普通砂砾垫层换填计算垫层厚度

根据《建筑地基处理技术规范》第4.2.2-1式，pz+pcz≤faz，其中pz为相应于荷载效应组合时，垫层底面处的附加压力值；pcz为垫层地面处土的自重压力值；faz为经深、宽度修正后的垫层底面处的地基承载力特征值。假设垫层厚度为2.3 m,则经深、宽度修正后的

垫层底面处地基承载力特征值faz=120+1.5×（2.3+1.5-0.5）×（2.3×21+1.5×18）/（2.3+1.5）=218.1 kPa；

则，pz+pcz=75.3+141.1=216.4kPa≤faz=218.1 kPa，满足要求。

3.2 采用加筋砂砾垫层换填计算垫层厚度：

假设垫层厚度为1.8 m,采用3层加筋。经深、宽度修正后的垫层底面处地基承载力特征值faz=120+1.5×(1.8+1.5-0.5)×(1.8×21+1.5×18)/(1.8+1.5)=202.5 kPa。

则，pz+pcz=136.9+64.8=201.7 kPa≤faz=202.5 kPa，满足要求。

考虑采用加筋垫层进行地基处理。

3.3 垫层宽度计算

垫层顶宽为挡墙基础底宽两侧各加0.3 m宽，即B=b+2×0.3=2.55+0.6=3.15 m；

垫层底宽根据公式b′=b+2ztanθ计算，即b′=2.55+2×1.8×tan38°=5.36 m。

3.4 加筋垫层土工合成材料强度验算

根据2.4中，TP=pzfs/mc=136.9×0.52/4=17.8 kPa;

土工合成材料选用双向GSL35/PE土工格栅，设计抗拉强度Ta=21 kN/m。

Tp≤Ta，满足要求。

3.5 加筋垫层构造设计

加筋垫层按3层加筋设计，首层加筋距离垫层顶面距离为0.6 m，加筋垂直间距为0.5 m，最下层加筋距离垫层底为0.2 m，沿加筋垫层横向土工格栅端部采用回折，并在回折处防止土工格栅受损设置胞腔式砂石袋。具体见图1。

图1 垫层设计大样图

4 结语

针对加筋垫层处理后的地基承载力由于目前尚未完善的计算理论，因此，采用加筋垫层处理后的地基承载力应以实测为准，但工程实际标明，加筋后的垫层承载力较普通垫层有明显提高。同时，垫层加筋后，垫层的整体性能稳定性得以提高。对于对地基变形要求较高的挡土墙，应进行地基处理后的地基沉降验算。

加筋垫层作为进行浅层地基处理的一种新形式，尽管《建筑地基处理技术规范》已将其列入其中，但目前仍处于研究阶段。大量的工程实践证明，其地基处理效果是显著的。在山西省，太原理工大学白晓红教授和煤炭工业太原设计研究院勘察设计大师王步云先生为加筋垫层技术方面做出了卓越的贡献，为山西省加筋垫层的应用提供了理论依据和工程实践经验。本文中所涉及到的多个知识点，也都借鉴于上述两位专家的学术观点。