加筋土挡土墙在某海外工程中的应用

刘万超

(金川镍钴研究设计院有限责任公司， 甘肃 金昌 737100)

0 前言

某工业项目位于印度尼西亚的一个海岛上，厂区拟建场地从低到高分为海成一级阶地及侵蚀剥蚀地貌丘陵两个地貌单元，场地自然高程为109.2～3.4 m之间，相对高差达105.8 m。根据总图竖向布置，场地需经大量填方压实整平后形成66 m、86 m及100 m三个平台，冶炼厂区主要建、构筑物根据工艺流程配置于这三个平台之上。为有效投资控制，台阶之间所形成的20 m及14 m高边坡必须设置坡度较大的挡土墙以充分利用场地、减少土方量。因此，在工程建设前期，挡土墙的合理设计成为确保项目顺利推进的一项重要工作。

1 挡土墙方案的选择和确定

一般而言，确定挡土墙方案时，必须综合考虑工程地质、水文条件、地形条件、环境条件、使用荷载、工程规模、施工条件和工程造价等诸多因素。本工程为海外建设项目，对工程投资及工期较敏感。建设地处于海岛，场地地质情况复杂、地基承载力较低，且本岛缺乏砂子、水泥、钢筋等基本建材，仅能提供数量有限的中等强度石料，多降水，人工成本较高。由于加筋土挡墙结构简单、施工方便、造价相对较低、对地基适应性较强，且适于在填方区采用，经综合分析，确定本项目中的挡土墙采用加筋土挡土墙结构方案。

加筋土挡土墙是由立板(挡板、面板)、筋材和填料(土、碎石土等)组成，借助于土与筋材所产生的摩擦作用，使加筋土具有某种程度的粘着性[1]，从而改良土的力学特性，使立板、筋材及填料形成一种结构稳定、且具有柔性特点的支挡结构。立板一般有预制或现浇钢筋混凝土板、土工石笼面板、土工沙袋面板及回折包裹面板等；筋材主要有土工合成材料或金属材料等。

2 加筋土挡土墙的设计

加筋土挡土墙的设计一般包括加筋土体的内部稳定性计算、外部稳定性计算及整体稳定性计算。内部稳定性是指由于筋材被拉断或筋土间摩擦力不足致使加筋土结构破坏；外部稳定性是指由于加筋土外部失稳而引起的加筋土结构破坏，包括地基承载力、基底抗滑、抗倾覆验算；整体稳定性是指加筋土体全墙沿滑动面产生整体滑动破坏。

2.1 加筋土挡土墙的结构材料

以本工程中66.0～86.0 m平台间20 m高加筋土挡土墙设计为例进行分析，挡土墙断面图如图1所示。面板采用由机器编织的六边形双绞合钢丝网面组合而成的加筋格宾(钢丝直径2.7 mm，表面覆塑0.5 mm)，系柔性面板结构。面墙格宾箱部分填充石料，加筋部分以结构填土分层压实。挡土墙筋材采用聚酯长纤无纺布及格宾网箱加筋。由于此挡土墙高度较大，在半高处设置了2.0 m宽错台，以增强挡墙的整体稳定性。

图1 20 m高加筋土挡土墙断面图(单位：m)

2.2 内部稳定性计算

加筋土挡土墙结构的内部稳定性计算一般包括单根筋材的抗拉计算和在考虑筋材作用条件下对每个加筋结构块体的内部整体稳定性计算两方面的内容。

2.2.1 筋材抗拉强度的确定

加筋格宾第i层筋材所受到的水平拉力Ti等于该层筋材受到的水平土压应力(包含加筋土填料作用于深度zi处的水平土压应力、车辆或人群附加荷载作用于深度zi处的水平土压应力、加筋体顶面以上填土重力换算均布土厚所引起的深度zi处的水平土压应力)与筋材间距之积，即：

(1)

式中：Ti——加筋格宾第i层筋材所受到的水平拉力，kN；

r1——加筋土填料的重度，kN/m3；

zi——深度，m；

∑Δσv——超载扩散至zi深度处的垂直附加应力，荷载扩散线的斜率为2∶1(竖直∶水平)，扩散线与墙背交点以下部分须考虑土压力作用，kPa；

r2——加筋体顶面以上填土的重度，kN/m3；

h——加筋体顶面以上填土换算等代均布土厚度，m；

Ka(int )——土压力侧压系数；

Sv——筋材的垂直间距，m。

对于筋材的强度条件，应符合式(2)要求：

Timax≤Ta

(2)

式中：Timax——各分布层筋材中的水平拉力最大值，kN/m；

Ta——筋材的容许抗拉强度值，kN/m。

2.2.2 内部整体稳定性计算

加筋土挡土墙结构的内部整体稳定性计算通常采用简化Bishop法(圆弧滑动面法)，分析计算包括有朗肯破裂面及0.3H折线破裂面的各个最不利的滑动面。考虑加筋单元作用的安全系数[2-3]见式(3)：

(3)

式中：ci——第i条块滑动面处的粘聚力，kP；

bi——第i条块滑动面处的弧长，m；

Wi——i条块自重及其荷载重，kN；

αi——第i条块滑动弧的法线与竖直线的夹角，(°)；

φi——第i条块滑动面处的内摩擦角，(°)；

Pj——穿过破裂面的第j道筋带的抗拔力，kN；

θj——穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线的夹角，(°)。

2.2.3 不同工况块体内部稳定性计算的安全系数

本工程20 m高加筋土挡土墙结构内部整体稳定性计算条块划分及计算如图2所示。规范[4]容许稳定系数要求，正常工况下≥1.30，地震工况下≥1.10。根据计算结果，正常工况下及地震工况下块体1～4内部稳定安全系数计算值均大于规范[4]容许稳定系数最小限值，满足要求。

图2 条块划分及内部稳定性计算示意图

2.3 外部稳定性计算

2.3.1 土压力计算

根据加筋土挡墙后填土的不同边界条件，采用库伦理论计算作用于筋体的主动土压力。

2.3.2 抗滑稳定性验算

挡墙基底抗滑稳定系数FSsl计算公式如下：

(4)

式中：∑N——竖向作用力之和，kN；

∑T——水平作用力之和，kN；

μ——基底摩擦系数，即μ=tanφf，φf为地基土的内摩擦角与挡墙结构填土综合内摩擦角两者中的较小值。

2.3.3 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定系数FSot计算公式如下：

(5)

式中：∑My——墙体稳定作用力系对于加筋体墙趾的合力矩，kN·m；

∑Mo——墙体倾覆作用力系对于加筋体墙趾的合力矩，kN·m。

2.3.4 地基承载力验算

对于加筋土挡土墙而言，其基底压力一般呈非线性分布，即在筋材末端压力较大，在面墙一侧压力相对较小，而加筋体后由水平土压力所产生的力矩作用并不显著。针对加筋土挡土墙的这一受力特点，计算中通常采用梅耶霍夫理论计算等效基底压力σv，即在考虑加筋体后结构填土压力所产生的影响时，可将筋材长度B-2e(e为竖向作用力合力的偏心距)用以代替筋材长度B，假定其在B-2e的长度范围内竖向应力呈均匀分布，计算公式如下：

(6)

(7)

本工程中，挡土墙基础持力层选择中风化岩层，地基承载力特征值为330 kPa。经计算，正常工况及地震工况下块体抗滑稳定安全系数及抗倾覆稳定安全系数分别为1.310、3.234，满足规范[4](抗滑稳定安全系数≥1.30；抗倾覆稳定安全系数≥1.50)容许的最小限值要求。挡墙基底最大压应力为318 kPa，地基承载力可满足计算要求。

2.4 整体稳定性计算

为得到加筋土挡土墙加筋体随地基整体滑动时潜在破裂面的安全系数，需进行整体稳定性计算，采用简化Bishop法(圆弧滑动面法)进行计算。计算时，对于埋置于土体中筋材效果的考虑，一般包括不考虑筋材作用和考虑筋材作用两种方法。

2.4.1 不考虑筋材作用

筋材长度不超过可能的滑动面，可按普遍的圆弧滑动面法进行计算，即不考虑筋材作用。当潜在破裂面穿过筋材时，因有筋材的存在，加筋体中产生似内聚力，计算时可将似内聚力产生的力矩计入总抗滑力矩值中。似内聚力计算公式如下：

(8)

式中：Cr——加筋体中的似内聚力，kPa；

σs——加筋体中筋带的应力，kPa；

As——加筋体中筋带的面积，mm2；

Kp——加筋体的被动土压力系数；

Sx——筋带水平方向的计算间距，m；

Sy——筋带垂直方向的计算间距，m。

2.4.2 考虑筋材作用

当潜在破裂面穿过筋材时，可将筋材抗拉强度和伸入滑弧后部分筋材长度所产生的摩阻力进行比较，用两值之间的较小者对滑弧圆心进行取矩，作为挡墙的稳定力矩。计算时一般可假定筋材作用力沿其长度方向，计算方法同上文内部整体稳定性验算中考虑加筋单元作用的安全系数计算方法。

本项目中，挡墙正常工况下稳定系数计算值为1.405>1.30，地震工况下为1.249>1.10，计算结果均满足规范[4]的最小限值要求要求。

2.5 基础设计

加筋土挡土墙采用柔性面板时不需要设置基础，当采用其它类型面板时均需设置基础。加筋土挡墙基础通常只设置于面板之下，采用混凝土或浆砌毛石条形基础。对于岩石质地基或具有足够承载力的土质地基，宽度一般应使面板每侧不小于0.25 m；承载能力较低的软土质地基，基础宽度通过计算确定，基础厚度一般为0.3～0.5 m左右；当地基为新鲜完整的岩石时，可不设置基础。土质类地基应按要求进行夯实处理，一般岩石地基则应清除面层风化层，基础埋置深度不应小于0.6 m，且基础顶面距地面不应小于0.3 m。本项目中挡土墙坐落于中风化岩层上，面板下未设置基础。

3 构造设计

本工程的构造设计如下：

1)加筋体填料应有较好的级配，结构填土厚度一般为250～300 mm，压实后厚度为200～250 mm。其压实度一般情况均不小于0.90；对于重要结构，应不小于0.95。特殊干旱或特殊潮湿地区，可根据成熟经验，压实度适当降低0.02～0.03。

2)当加筋土挡土墙坐落于软弱地基上，地基承载力无法满足设计要求时，应进行相应的地基处理以满足计算要求[5]。

3)应结合地形、地质、墙高等因素，合理设计沉降缝、伸缩缝，以使加筋土挡土墙正常工作。对土质地基而言，设缝间距一般可取10～30 m；岩石地基时，可适当增大设缝间距。一般沉降缝、伸缩缝缝宽取10～20 mm，嵌缝材料可选用沥青麻丝、软木板或沥青木板等柔性材料。

4)加筋土挡土墙高度大于12 m时，应慎重选择填料，并应在墙高中部设置宽度不小于1 m、有可靠排水防护措施的错台；墙高大于20 m时，应进行专门设计。

5)加筋土挡墙端部可采用护坡、锥坡、护墙等构造措施或直接与相邻的构筑物衔接。

4 结论

因技术特点鲜明，加筋土挡土墙已广泛用于建筑支挡、公路交通、岸坡防护等领域，并已发展出了节能环保、有利于植被恢复的生态加筋土挡土墙结构，具有较好的应用前景。但鉴于其受力结构的特殊性，在设计及施工中应特别注意以下方面：

1)在超高加筋土挡土墙的设计施工领域还存在一些不确定性，在此类工程中应慎重采用，合理选用面板型式、拉筋类型和布筋方式，准确计算。

2)加筋土挡墙坡度一般较陡，因此对填料的要求较高，设计施工过程中应充分重视填料的选择，不宜直接采用细颗粒土填料，并严格控制结构填土的质量。

3)挡墙面板后必须留有足够的空间，以获得足够的稳定区域来保证挡墙的内部和外部稳定，确保挡墙结构安全。

4)为加快工程施工进度，条件允许时，应尽可能采用预制钢筋混凝土面板等，尽量减少土石笼等柔性面板结构形式。