加筋挡土墙在上浦高速公路中的应用及相关问题探讨

唐韬

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司， 湖北 武汉 430060)

加筋挡土墙作为一种常见防护形式，以其整体性高、稳定性强的特点被广泛运用于各项工程中。随着工程难度的逐渐增加，许多复杂地区的挡土墙高度增大，采用普通直立式挡土墙难以满足强度及变形要求。而现有规范主要针对单级直立式挡土墙，对多级台阶式挡土墙缺乏统一标准。该文以上浦(上饶—浦城)高速公路某段采用加筋挡土墙的高填方段落为例，对加筋挡土墙在高速公路中的应用进行研究，并提出挡土墙设计中存在的问题。

1 工程概况

上浦高速公路新建工程地处江西省境内，全长50.853 km。其中K12—K13段属于高填方路段，受所处位置地形限制，采用普通路肩墙难以承担土体的侧向压力且挡土墙高度达20 m，而采用加筋挡土墙能充分发挥其整体性和稳定性好且受力均匀的特点，故设计采用加筋挡土墙。

2 加筋挡土墙设计

设计采用高密度聚乙烯(HDPE)单向土工格栅，根据蠕变强度不同分为A、B、C 3种类型，其设计指标见表1。

表1 土工格栅的设计指标

2.1 加筋挡土墙工艺流程

加筋挡土墙关键工艺流程主要有坡面设置、加筋体填筑、加筋体墙背侧填筑及排水处理。

(1)坡面设置。土工格栅加筋路堤边坡按照1∶0.50设置，每级平台宽度为2 m。在路堤施工中，每填筑0.5 m在受力方向布置一层土工格栅。每层土工格栅均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包边，与上层土工格栅搭接不小于2.0 m。边坡边部每一层土工格栅内均反包2个混有种植土的编织袋，在最外侧的编织袋内加入草籽。

(2) 加筋体填筑。筋体填筑前做好基底处理，先清除格栅范围内地表粉质黏土覆盖层，地表横坡陡于1∶5时挖成反向台阶。加筋挡土墙采用较密实的填料(开山石渣)分层填筑，每层厚度不超过0.5 m。填料需级配良好，不均匀系数≥5，曲率系数=1～3。填料干容重不小于20 kN/m3，最大粒径不超过30 cm，其中大于20 cm的填料含量不超过20%。经碾密压实后，填料孔隙率不大于20%或下部压实度不小于93%，上部1.5 m范围内压实度至少达到95%。填筑完成时的整体渗透系数不小于1×10-2cm/s。

(3) 加筋体墙背侧填筑。加筋挡土墙墙背侧1倍墙高范围内填料分层压实，分层厚度与加筋体一致，要求下部压实度不小于93%、上部1.5 m范围内压实度至少达到95%或孔隙率不大于20%。

(4) 加筋体防排水。设计中于每级平台及护脚处设置φ10 cm泄水孔，间距2 m，避免开山石填料受地下水浸泡而导致强度变低。

2.2 设计原则

加筋挡土墙设计准则分别为极限平衡法、极限状态法及数值模拟法。极限状态法由于忽略了结构的整体变形，而直接采用材料的最大强度为依据，给出结构不发生破坏的安全系数，与实际不符，挡土墙设计中较少采用。相较于极限状态法，数值模拟法可准确计算土体与筋材各点的应力，且能模拟土体随时间的变化及施工过程中的堆载。但数值模拟法需明确土体与加筋材料间的本构关系，故只在局部复杂变形体中采用。极限平衡法是目前使用最广泛的方法，设计中主要考虑强度方面的相关系数，计算简单。该项目加筋挡土墙设计采用极限平衡法。

2.3 加筋挡土墙计算

以26 m加筋挡土墙为例进行研究。加筋挡土墙的稳定性分析采用理正软件，在加筋体外部、内部及深层进行圆弧稳定分析。土工格栅加筋路堤边坡坡率为1∶0.50，每级平台设置宽2 m平台。路堤施工中，每填筑50 cm沿受力方向设置一层单向拉伸土工格栅，至上而下全部设置。格栅间距50 cm，采用开山石渣回填。每层土工格栅均向路基外伸出2.5 m，用以向上翻折包边，与上层土工格栅搭接不小于2.0 m。计算模型见图1。

图1 26 m加筋挡土墙断面示意图(单位：cm)

2.3.1 基本假定

(1) 路基填料产生的主动土压力主要由墙面板内填料承担，并由面板上连接钢筋的抗拔力来平衡。

(2) 摩擦系数在整个挡土墙范围内均相等。

(3) 土体破裂面是加筋挡土墙锚固区与非锚固区的分界面，根据土工规范，破裂面常按0.3H折线法确定。

2.3.2 计算参数

(1) 加筋土路肩墙墙高H=26 m，分段长度为10 m。加筋体上填土重力换算为等代均布土层厚度h1=0.6 m。

(2) 墙背主动土压力按照库伦理论计算，其中墙后填料综合内摩擦角按35°设计，填料重度19 kN/m3。

(3) 车辆荷载。墙高大于10 m，车辆荷载附加强度为10 kN/m2。

(4) 采用HDPE土工格栅，A、B、C型格栅强度分别为25、40、60 kN/m。

(5) 土与筋带之间的视摩擦系数f′=0.4，加筋体与地基之间的摩擦系数f=0.4。

2.3.3 内部稳定性计算

(1) 根据JTJ 015-91《公路加筋土工程设计规范》，各层加筋体所受拉力为：

Ti=Ki(γizi+γih)SxSy

(1)

式中：Ki为深度zi处主动土压力系数；γi为填料重度；Sx、Sy分别为筋带节点的水平与竖向间距。

(2) 破裂面上下两部分高度H1、H2的计算公式为：

H2=0.3Htg(45+θ/2)

(2)

H1=H-H2

(3)

式中：θ为填料综合内摩擦角。

(3) 筋带长度计算分为锚固区L1和活动区L2两部分，计算公式见式(4)、式(5)。各层筋带长度计算结果见图1。

(4)

(5)

(4) 抗拔稳定安全系数计算。根据规范，钢筋的抗拔力由锚固区长度L1与土体间摩擦力提供，以Tpi表示第i层钢筋的抗拔力，计算公式见式(6)。抗拔稳定安全系数为钢筋抗拔力Tpi与加筋体所受拉力Ti的比值，根据规范，其最小值为1.5。依次计算各层钢筋的抗拔稳定安全系数，均大于1.5，抗拔稳定性满足要求。

Tpi=2σviL1Bf

(6)

式中：σvi为钢筋所受土体自重压力；B为钢筋宽度。

2.3.4 外部稳定性计算

加筋挡土墙内部筋材与填土之间因黏结作用而形成一个整体，其外部稳定性计算与普通挡土墙基本相同。

(1) 滑动稳定性验算。加筋挡土墙的水平抗滑移能力应大于其承受的水平力，即：

(7)

式中：Sd为水平力效应设计值；Rd为设计抗滑力；Kc为安全系数计算值；μ为基底摩擦系数；∑N为竖向合力；∑T为水平合力；[Kc]为安全系数规范值。

(2) 抗倾覆稳定性验算。抗倾覆稳定性是指挡土墙抵抗土体压力，防止自身绕墙趾产生转动的能力。验算公式如下：

(8)

式中：K0为抗倾覆稳定系数；∑MR为稳定力矩；∑M0为倾覆力矩；[K0]为抗倾覆稳定系数规范值，其取决于荷载组合。

(3) 地基承载能力验算。由于加筋挡土墙所受力为偏心荷载，按照梯形分布计算基底压力，计算公式见式(9)。若σmin计算值为负，即e>L/6时，基底压力发生重新分布[见式(10)]。要求最终计算所得σmax、σmin≤[σ0]([σ0]为容许承载力)。

(9)

(10)

(4) 整体稳定性验算。整体稳定性计算采用圆弧法，计算所得加筋挡土墙最不利滑动面见图2。

图2 加筋挡土墙的最不利滑动面

3 加筋挡土墙设计中的相关问题

3.1 多级加筋挡土墙设计

挡土墙高度较大时，单级加筋挡土墙难以满足承载力及变形要求，同时按照规范要求，挡土墙高度大于12 m时需设置至少1 m的错台以形成台阶式挡土墙。美国FHWA(联邦公路局)对多级加筋挡土墙设计的规定如下：(H1+H2)/20≤D≤H2×tan(90-φ)(H1、H2分别为上下两级挡土墙高度；D为错台宽度)时，需考虑上级挡土墙对下级挡土墙的作用。对于该作用，美国NCMA(砼砌体局)将其考虑为上层均布荷载，国内目前普遍采用的弹性理论计算方法亦是如此。但有学者研究发现，采用该假设方法计算所得下级挡土墙所受土压力与实测值存在差异，并提出了下级挡土墙在受上级荷载作用时附加应力及墙背土压力的计算方法。可见，针对多级加筋挡土墙，国内外均有了较明确的理论计算方法，但对多级挡土墙如何选取每级墙体的高度及相邻错台宽度仍未明确。

3.2 加筋挡土墙破裂面的形状

加筋挡土墙筋带长度计算中需对破裂带上下两部分的高度进行划分。对于加筋挡土墙中潜在破裂面的形状，GB 50290-2012《土工合成材料应用技术规范》规定使用土工布等模量较低的土工材料时，加筋挡土墙内部破裂面按朗肯破裂面考虑；采用较高强度土工格栅等材料时，其内部破裂面为0.3H折线形。0.3H法主要适用于直立式挡土墙，而未考虑多级加筋挡土墙平台的设置。根据极限平衡理论，挡土墙墙背侧土体分为主动区、过渡区及稳定区3个区域，实际计算中应根据错台宽度与3个区域的关系分别讨论。同时，实际工程中土工加筋材料的应变量通常不足1%，0.3H法的合理性有待探讨。

3.3 土工加筋材料

目前加筋挡土墙主要采用的土工材料包括土工网、土工布、塑料土工格栅、钢塑土工格栅等。在挡土墙内部，加筋材料与土体及挡土墙面板之间均存在作用力。加筋材料的内力不仅取决于土体强度与刚度、面板刚度这些相对恒定的指标，还受自身刚度的影响。由于加筋材料的蠕变特性，在荷载作用下其自身刚度将发生变化，采用规范公式中恒定材料刚度计算土工材料受力情况是否合理仍有待研究。不仅如此，目前土工材料的内力计算均假设内部最大应力出现在潜在破裂面附近，但有学者指出，由于填土与面板刚度相差较大，两者之间产生的差异性沉降将使筋材与面板连接处产生一个连接力，当挡土墙高度较大时，该连接力甚至大于筋材与面板连接处的拉力。目前尚无关于该连接力的理论分析，规范中亦缺少这部分内容。

4 结语

多级加筋挡土墙计算包括外部稳定性计算及内部稳定性计算两部分，其中外部稳定性计算与普通加筋挡土墙无异，而内部稳定性计算主要在于筋材长度与强度的计算。针对现有规范关于土工加筋挡土墙设计及计算的不足，提出以下问题：

(1) 现有土工规范主要针对单级直立式挡土墙，对于多级挡土墙错台宽度的设置及如何分级，规范仍有待完善。

(2) 现有规范针对破裂面形状的0.3H法没有考虑错台宽度的影响，实际计算中应结合极限平衡理论，根据错台宽度与主动区、过渡区及稳定区的关系分别讨论。

(3) 计算土工加筋材料内力时，现有理论及规范缺少对加筋材料蠕变特性的考虑且忽略了填土与面板间差异性沉降的影响。