加筋土挡墙在山区水厂高填方工程中的分析与应用

高程鹏 王林 强健

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

随着我国经济建设的不断发展，越来越多的净水厂工程需要建设在地形、地貌较为复杂的山区中，由此带来大量的土石方深挖高填工程。

按照常规的回填及坡面防护做法，填方边坡的坡率一般控制在1∶1.5～1∶3之间［1］。但该做法经常受到山区地形的制约，且会增加水厂征用地面积，大量增加土石方回填量，造成资源浪费。故水厂中的高填方边坡不能按常规做法实施，需要采取一定的支护措施，主要包括：重力式挡墙、土钉墙、桩锚结构、加筋土挡墙或以上措施相结合的形式［2］。其中，重力式挡墙是较传统的支挡结构，其施工简单、技术成熟、认可度高，对于墙体高度≤12m的挡墙可以直接选用国家标准图集GJBT-750。土钉墙与桩锚结构因其锚固体在填土中侧摩阻力的发挥程度难以得到保障，故在填方工程中的应用受到很大的局限。加筋土挡墙目前主要应用在铁路与道路工程中，在水厂类厂站建筑中的应用较少；但其具有变形适应能力强、节约占地、造型美观、性价比高等优点，因而在水厂高填方工程中同样具备较强的适用性［3-5］。

本文主要通过某净水厂实际工程案例，利用Midas GTS三维有限元计算，将传统重力式挡墙与加筋土挡墙从安全系数、结构位移、地基承载力、经济性等多方面进行对比分析，得出了加筋土挡墙支护方案，并结合有限元计算结果对设计方案进行了优化。本文为加筋土挡墙在水厂高填方工程中的推广与应用提供参考与借鉴。

1 工程概况

拟建江西省某净水厂，水厂设计规模为日供水量6万m3/d。现状场地为荒地，地势起伏较大。场区南侧及东侧整平至设计标高后，可形成长约400m，最大高度为19m的高填方边坡。

根据地勘资料得知，拟建高填方边坡处揭露土层主要为①素填土、②粉质黏土、④卵石土、⑤1全风化千枚岩。其中：①素填土由各种风化不一的基岩碎屑及粘性土组成；②粉质黏土以硬塑为主，局部为可塑状态；④卵石土为中密状态，中细砂填充，粘性土包裹；⑤1全风化千枚岩呈土柱、碎屑状，部分尚可辨认千枚状构造。本工程中各土层的力学参数见表1。

表1 土层分层及土层力学参数Tab.1 Soil profile and parameters

2 支护结构设计方案

2.1 重力式挡墙方案

根据挡土墙国标图集GJBT-750，本工程中边坡高度达到19m，故重力式挡墙需采用衡重式挡墙［6］。根据图集中截面尺寸参数，挡墙的墙身总高15m，墙踵埋深2m，墙底宽7.5m，墙顶宽2.5m。挡墙上部采用自然放坡，高度6m，坡率1∶1.75。挡墙与放坡之间的马道宽5m，具体结构如图1所示。

图1 重力式挡墙方案示意Fig.1 Schematic diagram of the gravity retaining wall

2.2 加筋土挡墙方案

本方案中，加筋土挡墙高13m，坡率为1∶0.5，加筋长度12m，共设置12层土工格栅，层间距1m。土工格栅采用150型纤塑格栅作为筋材，纤塑格栅的参数要求见表2。挡墙上部自然放坡高度6m，坡率1∶1.75。挡墙与放坡之间的马道宽5m，具体结构如图2所示。

图2 加筋土挡墙方案示意Fig.2 Schematic diagram of the geogrid-reinforced retaining wall

表2 150型纤塑格栅参数Tab.2 Parameters of the Model150geogrid

两方案的支护结构参数见表3。

表3 支护结构参数Tab.3 Parameters of the supporting structure

3 数值计算模型

采用Midas GTS有限元分析软件对两种支护方案分别建立三维模型，如图3所示。模型的高度为34m，宽度为68.7m，纵向宽度为20m。其中，土体采用摩尔库仑本构模型，重力式挡墙与土工格栅均采用各向同性的弹性单元进行模拟。土工格栅与土体之间采用Midas GTS NX软件内置的Goodman接触单元模拟两者之间的剪切滑移作用。Goodman单元由接触面两侧的两对节点所组成，单元的厚度为零，两接触面之间假想为由无数的法向和切向弹簧相连，弹簧刚度由软件根据土工格栅所在土层的强度参数自动计算得到。在施工过程模拟中，每一步均采用强度折减法来计算整个支护结构的安全系数。

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图3 重力式挡墙与加筋土挡墙支护有限元模型Fig.3 Finite element model of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall supporting system

4 方案对比分析

4.1 塑性区及安全系数对比

通过采用强度折减法，可以得到各支护方案的安全系数随施工工况的变化。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013），该边坡（挡墙）的稳定安全系数不应小于1.35［7］。

加筋土挡墙方案中，加筋土挡墙部分共分为13层，共设置了12层土工格栅。故施工工况分为15步：第1步为初始地应力平衡，第2～14步为加筋土挡墙分层施工，第15步为加筋土挡墙顶部填土边坡施工。

安全系数随施工工况的变化规律如图4、图5所示，图中的S2～S15分别表示第2步～第15步施工工况。从图4中可以看出，从工况S2至工况S10，安全系数随施工工况基本呈线性提高。此时的潜在滑动面仅存在于加筋土挡墙顶部的原状边坡中；随着加筋土挡墙高度增加，该滑动面的范围逐渐减小，安全系数也随之提高。在工况S11时，加筋土挡墙高度为10m，顶部原状边坡的高度为9m。此时除原状边坡的滑动面外，加筋土挡墙内也出现了第二滑动面。且在之后的工况中，随着加筋土挡墙高度的增加，挡墙顶边坡的滑动面逐渐消失为坡脚局部的塑性区，加筋土挡墙的滑动面逐渐贯通发展为主要的滑动面。在这一过程中，安全系数随之降低。

图4 加筋土挡墙支护中安全系数随施工工况的变化Fig.4 The variation of safety factor with construction steps in geogrid-reinforced retaining wall

图5 不同工况下加筋土挡墙滑动面位置及相应安全系数Fig.5 The sliding surface and corresponding safety factor of the geogrid-reinforced retaining wall in different steps

由此可知，在加筋土挡墙的施工过程中，安全系数呈现先增后减的规律；当加筋土挡墙的高度与墙顶原边坡高度接近时，安全系数达到最大值，随后开始减小。

重力式挡墙方案中，重力式挡墙与墙体背后的填土考虑为一次性施工完成，故施工工况分为3步：第1步为初始地应力平衡，第2步为挡墙施工与墙背填土施工，第3步为挡土墙顶部填土边坡施工。第2步与第3步的潜在滑动面位置及相应安全系数如图6所示。在挡墙施工完成时，安全系数为1.85；在墙顶边坡施工完成时，安全系数降低为1.325，已经不满足规范中的最小安全系数要求。该方案中，潜在滑动面共有两处：一处沿着填土与原边坡的交界面发展并贯通至填土边坡坡顶，另外一处沿着挡土墙背竖向发展并延伸至填土边坡坡脚。此外，墙底及墙踵周围的土体也发展成为塑性区，产生了较大塑性变形。

图6 不同工况下重力式挡墙滑动面位置及相应安全系数Fig.6 The sliding surface and corresponding safety factor of the gravity retaining wall in different steps

通过借助于理正岩土计算软件（6.5PB5版）中的复杂边坡验算模块与衡重式挡墙验算模块，本文计算了加筋土挡墙方案与重力式挡墙方案的整体稳定安全系数的理论解，最终安全系数汇总如表4所示。从中可以看出，加筋土挡墙的两个安全系数计算结果较为接近，能够满足《建筑边坡工程技术规范》要求的最小安全系数。而重力式挡墙的整体稳定安全系数低于强度折减法安全系数，且略低于《建筑边坡工程技术规范》要求的最小安全系数。

表4 安全系数汇总Tab.4 Summary of safety factors

4.2 地基承载力对比

图7所示为不同支护下，模型中轴剖面处基底反力云图的对比。从图7中可以看出，加筋土挡墙最大基底反力为151kPa，且分布较为均匀。重力式挡墙最大基底反力为310kPa，且为偏心反力，最大值分布于墙踵处。根据地勘报告，基底土层为④卵石土，地基承载力特征值为200kPa。由此可知，重力式挡墙支护的基底反力不满足地基承载力的要求，需要额外采取换填、土体加固等地基处理措施或采取桩基础。

图7 不同支护下的基底反力云图（单位：kPa）Fig.7 The cloud image of basal reaction in different supporting system（unit：kPa）

4.3 支护结构位移对比

图8 不同支护下的位移云图（单位：m）Fig.8 The cloud image of displacement in different supporting structure（unit：m）

重力式挡墙支护中的最大位移主要发生于上部的填土边坡处，位移值为7.60cm，重力式挡墙最大位移发生在墙顶处，位移值为5.0cm。对比两种支护结构的位移趋势可知，加筋土挡墙的位移以底部滑移趋势为主，而重力式挡墙的位移以顶部倾覆趋势为主。

加筋土挡墙与重力式挡墙支护中边坡顶的地面沉降曲线如图9所示。图中地表坐标x为坡顶距离模型左侧边缘的距离，沉降量Tz为土体的竖向变形量。加筋土挡墙的最大地面沉降为4.1cm，重力式挡墙的最大地面沉降为7.0cm；且重力式挡墙地面沉降值整体均大于加筋土挡墙地面沉降值。

图9 不同支护下坡顶的沉降曲线Fig.9 Settlement curve of the slope roof under different supports

4.4 其他结构性与功能性对比

重力式挡墙与加筋土挡墙的其他结构性与功能性对比见表5。

表5 重力式挡墙与加筋土挡墙对比分析Tab.5 Comparative analysis of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall

此外，本工程中重力式挡墙方案每延米需要的毛石混凝土约102m3，直接工程费用估算约为25500元/m；加筋土挡墙方案每延米的工程量统计见表6，直接工程费用约为13900元/m。对比可知，加筋土挡墙支护的造价比同等条件下重力式挡墙支护节约45.5%。

表6 加筋土挡墙每延米的工程量统计Tab.6 Statistical table of the engineering quantities in the geogrid-reinforced retaining wall per meter

4.5 加筋土挡墙应用的注意事项

水厂中加筋土挡墙的应用也有一定的局限性，即厂区内的水池、泵房等深埋或采用桩基础的建构筑物不能布置在加筋土挡墙的边坡范围内。加筋土挡墙施工时是按照一层土工格栅＋一层回填土分层夯实施工，其依靠土工格栅与填土之间的摩擦作用，改善土体工程特性，达到稳定边坡的目的。而施工深埋基础或桩基础，则会破坏土工格栅与填土之间的相互作用，导致筋材失效，边坡失稳。而重力式挡墙主要依靠挡墙自身的重力保证边坡稳定，其墙背填土主要为荷载作用，在确保不会有墙体附加荷载及挡墙自身稳定的前提下，可以作为深埋或桩基础建筑（构）物的建筑用地。

因此，加筋回填土范围内不能作为厂区深埋或桩基建（构）筑物的建筑用地。

5 设计方案优化

经过对比分析与方案比选，本工程采取了加筋土挡墙设计方案。根据前述加筋土挡墙有限元计算结果，发现潜在滑动面基本都在填方边坡与原状边坡的交界面上。故加强新旧边坡交界面的连接设计，对加筋土挡墙的稳定性至关重要。

在填方边坡与原状边坡交界面上采取了优化设计，如图10a所示。首先挖除原边坡表面虚土，并设置（0.9～1.5）m×1.0m防滑台阶。同时，为避免雨水入渗导致坡内孔隙水压力累积及交界面处回填土强度降低，在防滑台阶表面设置了500mm厚碎石排水层，在加筋土挡墙高度范围内设置4道水平碎石排水通道。加筋土表面采用透水格宾，其构造示意如图10b所示。格宾中采用质地坚硬、不易崩解和水解、抗风化的块石进行填充，强度等级MU30，比重不小于2.5t/m3。同时在坡顶及坡脚设置排水沟。上述排水通道通过沿坡面布置的流水踏步共同作用，形成纵横排水体系，将雨水及时有效导排至坡底市政排水体系，以确保新旧边坡接触面不会发展成为潜在滑移面，由此进一步提高加筋土挡墙的整体稳定性。

图10 加筋土挡墙方案优化设计Fig.10 Optimal design of the geogrid-reinforced retaining wall

6 结论

本文以某净水厂19m高填方工程为例，通过建立Midas GTS三维模型，对比分析了加筋土挡墙与重力式挡墙应用于净水厂高填方工程时的安全系数、结构位移、地基承载力、经济性、结构性等多项指标，得出以下结论：

1.对于边坡高度较高的高填方支护工程，加筋土挡墙表现出较好的经济技术优势，表现在安全系数高、支护位移与土体位移较小、造价较低、基底反力小等。

2.高填方工程的加筋土挡墙在施工过程中，安全系数呈现先增后减的规律；当加筋土挡墙的高度与墙顶原边坡高度接近时，安全系数达到最大值，随后开始减小。

3.选用加筋土挡墙时需要注意加筋回填土范围内不能作为厂区深埋或桩基建（构）筑物的建筑用地。

4.本工程中加筋土挡墙潜在滑动面基本都发生在填方边坡与原状边坡的交界面上，因此可沿交界面设置防滑台阶、碎石排水层等措施增加加筋土挡墙的整体稳定性。