复合型挡土墙的应用研究

毛丹君，蔡金博，祖建全

（东北电力设计院，长春 130021）

东北及内蒙古地区能源丰富，拥有大量电力能源可对外输送，但由于该地区冬季时间长、气候寒冷、可施工时间短，致使在该地区建设变电站的工期十分紧张。为保证工程进度，必须采取合理的结构形式及施工组织，充分利用可施工时间缩短变电站建设周期。为解决东北及内蒙古地区工程施工工期紧张的情况，积极探索新型结构形式，提出复合型挡土墙新型结构形式。与传统形式的挡土墙相比，复合型挡土墙具有降低造价、施工方便、受力合理、可分部施工满足冬季施工等优点。本文根据加筋挡土墙及重力挡土墙的计算理论及相关的国家规范，结合海北500kV 变电站工程，对复合型挡土墙的设计理论及施工措施进行介绍。

1 海北500kV 变电站工程情况

1.1 地理位置

海北500kV 变电站站址位于呼伦贝尔市的北部约11.0km，201省道东侧的草原上。站址区在地貌上属丘陵高平原，地势开阔，地形较平坦，总体上呈现东北高西北低的趋势，地面高程为685.97～695.72m。

1.2 自然条件

站址区地貌单元为丘陵，地势开阔，地形稍有起伏；地基主要由上部的粘性土、粉细砂层及下伏的粘性土组成。站址水文气象条件见表1。

表1 站址水文气象条件 ℃

1.3 施工进度要求

海北500kV 变电站为蒙东公司建设的首座500kV 智能化变电站，建设单位对工程质量要求高、工程进度要求紧。本工程2010年10月15日开始启动，为了保证施工进度，要求施工单位在11月底之前完成场平及所有构架基础，以保证在冻土未化开前进行构架组装，在2011年4月冻土化开后进行其他土建施工。

2 复合型挡土墙设计理论

2.1 复合型挡土墙介绍

挡土墙是变电站中常见的一种构筑物，主要用于防止填土或土体变形失稳。对整个工程的结构安全与施工进度有重大的影响，只有在挡土墙安全可靠的前提下，才可以进行地上建筑的施工。

复合型挡土墙是利用土工格栅与土体结合加强土体的整体稳定性，形成冬季的临时稳定填土边坡；春季沿坡面浆砌毛石护面，形成复合型边坡结构，保证边坡长期稳定性。复合型挡土墙的组成包括：墙面、筋材及墙内填充土。复合型挡土墙结构见图1。复合型挡土墙适用于寒冷地区的填方区边坡设计，尤其是内蒙古地区，植被稀少，混凝土、砂浆可施工期很短。为满足工程进度要求，在冬季施工场平期间，利用土工格栅的拉力，保持填方边坡的临时稳定性，春季及时补砌毛石挡土墙，可以充分利用冬季施工缩短建设工期。在寒冷地区粉砂填土的冬季压实施工难度极高，采用土工格栅具有极好的辅助固土效果，还能降低挡土墙的毛石量，节约资源。浆砌毛石墙面具有良好的渗透虑水效果，是理想的廉价护坡材料。

图1 复合型挡土墙结构

2.2 复合型挡土墙计算方法

复合型挡土墙设计与其结构形式、施工顺序紧密结合，一般应分为2步设计：

第1步设计为筋材铺设时，设计内容包括：计算加筋土坡稳定，此时加筋土体单独抵抗土压力与施工荷载，这种形式为过渡形式，设计时不考虑水浸、地震等不利因素，此种形式意在维持填方区土体短期稳定，争取施工工期，此时，按照GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》第7.0.3条对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，结构重要性系数不应小于0.9的规定，可将结构重要性系数取为0.9计算结构的强度和稳定性［1］。

第2步设计在条件允许情况下，马上砌筑毛石墙面。墙面砌筑完成后，毛石墙面与加筋土体共同抵抗荷载，此时的复合型挡土墙抗滑移、抗倾覆能力得到提升，可以保证长期稳定的抵抗各种不利荷载组合。

2.3 复合型挡土墙计算公式

复合型挡土墙计算主要分为挡土墙内部与外部计算，内部计算包括复合挡土墙筋材强度计算、筋材抗拔计算；外部计算按照重力式挡土墙的计算方法计算地基承载力、墙体水平抗滑移及墙体抗倾覆［2］。

2.3.1 复合挡土墙内部计算

a.筋材设计强度。复合型挡土墙的筋材强度以生产厂家提供的筋材极限抗拉强度、延伸率为基础，强度设计值综合考虑筋材的蠕变、环境影响、施工铺设的损伤及筋材搭接等因素。复合型挡土墙加筋材料设计抗拉强度按式（1）确定［2－3］：

式中：T为挡土墙上的总水平合力或加筋筋材的抗拔力设计值；Tu为加筋挡土墙筋材的抗拔力极限值；FID为复合挡土墙的筋材铺设破坏影响系数；FCR为复合挡土墙的筋材蠕变影响系数；FCD为生物－环境影响系数；FBD为连接影响系数；设计强度应以工程经验与现场测试相结合的方式确定，如无经验时其系数乘积宜采用2.5～5.0。

b.筋材强度验算。每层筋材均应进行验算，第i层单位墙长筋材承受的水平拉力Ti可按式（2）计算：

式中：σvi为复合型挡土墙筋材垂直应力；σhi为复合型挡土墙筋材水平应力；∑Δσvi为超载引起的垂直附加应力；Ki为土压力系数；Svi为复合型挡土墙筋材竖直间距；Ar为筋材面积覆盖率，Ar＝1／Svi；对于筋材满布的情况取1。

c.筋材抗拔稳定验算。筋材抗拔力Tpi应根据填土破裂面以外筋材有效长度与周围土体产生的摩擦力按式（3）计算：

式中：Lei为复合型挡土墙筋材有效长度，即破裂面以外的长度；对于土工格栅作为筋材的挡土墙，f 可由试验测定，当无测试结果时也可按f＝（0.8～0.9）tanφ取值；B为单位长度的加筋材有效宽度，B可按表1取值。

表1 筋材有效宽度

筋材抗拔稳定安全系数Fs应符合式（4）要求：

安全系数不应小于1.3，一般取为1.5。当不能满足时，应加长筋材进行验算。

确定筋材长度时，第i 层筋材长度Li应按式（5）计算：

式中：Li为复合型挡土墙筋材总长度；Loi为复合型挡土墙筋材破裂面以内的长度；Lwi为包裹土体筋材、连接墙面或筋材间连接所需筋材长度。为施工方便，自上而下筋材宜取同等长度，也可分段采用不同长度。

2.3.2 复合挡土墙外部计算

复合型挡土墙外部稳定性计算采用重力式挡土墙的稳定方法计算地基承载力、墙体水平抗滑移及墙体抗倾覆计算。具体计算公式参考《建筑地基基础设计规范》第6.6土质边坡与重力式挡墙相关公式计算。复合型挡土墙外部稳定计算分为2步：第1步计算加筋土体单独抵抗土压力，设计时不考虑水浸、地震等不利因素，可将结构重要性系数取为0.9计算结构的强度和稳定性；第2步设计墙面砌筑完成后，毛石墙面与加筋土体共同抵抗荷载，此时的复合型挡土墙抗滑移、抗倾覆能力得到提升，可以保证长期稳定地抵抗各种不利荷载组合，结构重要性系数取为1.0计算结构的强度和稳定性［4－5］。

3 复合型挡土墙施工措施

复合型挡土墙的施工主要包括：基层处理、筋材铺设、层间填土、碾压、毛石砌筑及整修等。复合挡土墙的施工应符合以下原则：体现设计意图，确保工程质量；有序组织作业，保证施工安全。

3.1 筋材铺设

筋材沿挡土墙长度方向搭接长度不小于15 cm，垂直墙面方向，筋材搭接长度不小于20cm；筋材强度高的方向应垂直墙面，筋材应铺放平整并拉紧、插筋固定；应避免筋材与角砾填料直接接触；在拐角、曲线处为保证筋材整体、连续性和摩擦力的发挥，应用同品种小片筋材全部覆盖；筋材头部与挡墙连接端及尾部与土壤连接端都必须平顺反向包裹，并用连接棒连接牢固。

3.2 填土

填土应级配良好，每层填土碾压厚度宜为25～30mm，卸土及碾压应缓慢均匀进行，不得速度过快。使用机械运土时，筋材上必须有15cm 厚的铺土，运土车辆宜前进和后退，尽量不要转弯行驶，以免损坏筋材；摊铺设备应为前置式，不得直接在筋材上行走。

3.3 碾压

应选用中、轻型碾压机械实施压实作业，应根据填料类别、工程规模、场地条件选用碾压机械。压实作业必须保证碾压质量，压实过程中应按要求取样进行压实度试验，压实度值应达到相应工程的设计要求标准。

3.4 毛石墙面砌筑

墙面采用MU30 毛石、M10 水泥砂浆砌筑，1∶3水泥砂浆勾凹缝外表要平整，分层砌筑，砂浆应饱满，不准有垂直通缝，墙外露表面宜用规整毛石砌筑；毛石不准采用三角形片石，毛石厚度不小于150 mm；墙面最底层排水管应至少高出墙外地表200 mm，排水管外露管口设置闭网，墙顶标高至少高出自然地面或者场平地面100mm。

3.5 土工格栅设置原则

a.通常情况下，土工格栅从下至上应保持相同的设置长度；

b.土工格栅强度选用可自下而上递减，即越往下所选用的土工格栅强度愈大；

c.土工格栅布置，竖向间距应相等，一般为0.5～1.5m。

4 结束语

根据研究及计算结果，在海北500kV 变电站施工图设计中对填方区挡土墙设计方案进行了反复的论证和优化，为满足冬季场平施工的要求，首次提出复合型挡土墙即冬季施工场平采用土工格栅增强填方区土体稳定性作为临时护坡，春季补砌毛石，由毛石与加筋土体形成复合挡土墙。

［1］GB 50068—2001，建筑结构可靠度统一标准［S］.

［2］GB 50290—98，土工合成材料应用技术规范［S］.

［3］欧明六.土工格栅的分类与特性［J］.铁道标准设计，2003，（10）：155～156.

［4］薛殿基，冯仲林.挡土墙设计实用手册［M］.北京：中国人民建筑工业出版社，2008.

［5］GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范［S］.