高边坡多级柔性加筋土挡墙施工及稳定性分析研究

王云和，朱爱山，徐友樟

（1.温州市瓯江引水发展有限公司，浙江 温州 325000；2.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江 杭州 310013）

高边坡加筋土挡墙在全国应用很多，但在环境、使用等因素的影响下，变形较普遍[1]。特别是多级加筋土挡墙潜在破裂面位置的不确定性给设计者和施工人员带来很大的困扰[2-3]，对此，我国对加筋土挡墙的研究越来越重视。本文以建德更楼矿业生产厂区边坡治理工程为依托，对岩质陡立高边坡多级柔性加筋土挡墙潜在破裂面位置及稳定性进行研究，并整理开发相关施工技术，以期为今后类似工程的施工提供参考。

1 工程概况

本工程边坡采用多级柔性加筋土挡墙支护，挡土墙高度8.0～25m 不等，坡率1∶（0.10～0.20），超过8m时设台阶，台阶宽度2.0m。挡墙内填土夯实，与柔性加筋土挡墙、场平共同形成工业用地，然后在其上建石料破碎、骨料存储及运输车间、水洗及污水处理车间、管理办公楼等。建筑物结构形式为砖混结构或钢结构，建筑不设置地下室，采用浅基础形式。

柔性加筋土挡墙采用高强度、高韧性高分子模量聚酯纱线，经过编织、浸渡PVC 防护层等工艺生产而成，力学性能、化学耐久性及生物抗降解性能优良。填料采用透水性好的砂性土、砾石类土或碎石头回填，分层厚度0.2m，压实度不小于0.94。

2 设计思路及原理

2.1 岩质陡立高边坡多级柔性加筋土挡墙施工结构及受力机理

岩质陡立高边坡多级柔性加筋土挡墙施工结构包括重力式挡土墙、锚杆锚拉系统、土工格栅加筋边坡、生态袋面层等组成，并结合摩擦加筋、弹塑性层板、均质等代材料等理论[4-5]，如图1所示。重力式挡土墙采用扩大基础减小基底压力，设置在坡角加强整个边坡的稳定性。土工格栅加筋边坡充分利用压实边坡填料的自稳性，并将部分土工格栅承受的拉力传递给水平锚杆，使新填边坡和原地层连为一体，共同承担边坡下滑力。边坡上设置格生态袋，后期植物根系的生长交错成网。

图1 岩质陡立高边坡多级柔性加筋土挡墙施工截面图

2.2 土工格栅与锚杆连接结构

土工格栅通过连接装置与锚杆相连，连接装置包括竖向槽形构件、水平压接板、压接螺栓以及锚固体等，如图2所示。首先将水平压接板固定在垂直槽型构件上，再将土工格栅穿过水平压接板并通过螺栓紧固，这样土工格栅所受拉力就将通过水平压接板传递给垂直槽型构件上，进而有锚杆承担。

图2 土工格栅与水平锚杆连接装置详图

2.3 多层土工材料紧固装置

上下层紧固装置由上下压板、螺栓杆和螺帽组成，如图3所示。将螺栓杆穿过所有土工材料，并且上下杆体在土层中留有一定长度，拧紧螺帽使所有土工材料紧固并锚固于土层中。

图3 各层土工材料通过上下紧固装置固定于边坡中的结构详图

3 采用有限元分析软件进行稳定性数值分析

3.1 多级柔性加筋土挡墙水平位移分析

加筋土挡墙不加筋时，用有限元ADINA只能计算到106步[7]，而加筋后，土体的稳定性进一步提高，本文不再做无筋分析。有限元ADINA分析条件，以25m高台阶为例。平台宽约52m，挡土墙高25m（第一级高12m，第一级高8m，第三填级高5m），料采用透水性好的砂性土、砾石类土或碎石混合料回填，填料容重γ=19kN/m3，综合内摩擦角30°。含碎石粉质粘土地基承载力为318.18kPa。土工格栅，纵向极限拉伸强度不小于300kN/m，纵向5%应变强度不小于158kN/m。经计算水平位移结果如图4所示。

图4 多级柔性加筋体挡墙水平位移云图

根据计算结果，发现加筋挡土墙的最大水平位移为47.87cm，在第一级台阶中部偏上位置。故施工时红线区域分层厚度由20cm，修正为15cm。锚杆拉结在铺好后，挖出锚固装置，进一步拧紧锚固装置螺栓，产生低预应力，并适当增加排水措施。篮色至黄色区域过渡平缓，没有发生突然变大或变小情况。证明其它位置土体得到了很好的约束，墙体的水平位移量符合设计要求，变化满足安全要求。

3.2 多级柔性加筋土挡墙竖向位移变形

竖向沉降变形与填料、压实度、原地基承载力、降水等多因素有关，通过有限元计算其沉降变形如图5所示。分析图中数据，可以发现：加筋土挡墙竖向位移变形最大值为50.32cm，出现在第二级，部分下探到第三级上部。其沉降变形与水平变形相对应，为结构型沉降，本区域不是很大。其余区域挡墙竖向位移变形特征均为层级均匀分布，除地基外，没有明显的不均匀沉降现象。在挡墙的底脚部混凝土基础处，因回填土自重原因，向下挤压产生侧向力，使竖向位移变形的值为正值，其最大变形为17.99cm。整体竖向沉降变形符合设计要求。

图5 多级柔性加筋挡墙竖向位移云图

3.3 多级柔性加筋土挡墙塑性区分布分析

加筋土挡墙的塑性区分布如图6所示，分层回填区、底脚处为塑性变形区，剪应变范围极小，也并没有形成贯通面，说明本加筋结合锚杆能够阻挡墙塑性区进一步的发展，从而提高挡土墙的安全稳定性。

图6 多级柔性加筋土挡墙的塑性区分布图

4 施工主要操作要点

4.1 基底

本工程柔性加筋挡墙基底多处于1～2层含碎石粉质粘土上，不能满足部分高挡墙地基承载力要求，现根据不同墙高的地基承载力要求对柔性加筋挡墙基底进行地基处理：0＜H≤6m，30cm碎石垫层；6m＜H≤10m，50cm 碎石垫层；10m＜H≤15m，100cm 碎石垫层；15m＜H≤22m，200cm 碎石垫层；22m＜H，100cmC25片石砼基础+200cm 碎石垫层。柔性加筋挡土墙基槽开挖按设计方案开展，整平后，采用小型打夯机压实。施工过程中做好基槽及周边地面引排水，确保施工范围内无积水。严禁积水浸泡基槽。在施工柔性加筋土挡土墙前，检查基底压实度、高程、宽度、平整度及地基承载力检测，若地基承载力达不到设计要求的承载力，则采用级配碎石加坦萨三向格栅进行换填处理，并重做承载力检测。

4.2 填料及碾压

回填必须均匀摊铺平整，并设不小于3%的横坡，以利排水。距墙边1m范围内，不得有大型机械作业和行驶，采用小型夯机分层夯实，分层厚度不得超过0.15m。基底和墙趾转折处不应有垂直通缝。挡墙每隔10m 设一伸缩缝，在地基性状和挡土墙高度变化处应设沉降缝，缝宽2cm，缝内填塞沥青麻筋或其它有弹性的防护材料，填塞深度15cm。在挡土墙拐角处，应适当加强构造措施；同时各段边坡的外墙及连接处施工应顺直，不宜高度突增或突减。圬工在达到设计强度的70%以上时，方可回填墙后填料，填料应优先选用碎石或卵石填筑，回填前应确定填料的最佳含水量和最大干密度，根据碾压机具和填料性质，分层填筑压实，回填压实后应进行压实度检测，压实系数不得小于0.94。

4.3 扩大基础挡土墙

底脚扩大基础挡土墙由素混凝土浇筑而成，在浇筑扩大基础前，填筑一层砂石垫层。支设挡土墙模板，浇筑混凝土，墙顶设置联锁式生态砖的嵌固平台。

4.4 排水

柔性加筋挡土墙泄水孔直径75mm，外倾坡度5%，间距2m，按梅花形布置，反滤层用级配良好的卵石或碎石等渗透性好的材料，反滤层厚度0.20m。在设计地面的最低一排泄水孔的进水口下部应设置隔水层，泄水孔进水口土工布包扎堵头；最下一排泄水孔应高于设计地面或排水沟以上0.5m。

4.5 水平锚杆

在阶梯状原地层的垂直面上钻孔施工锚杆，钻孔达预定深度后，植入锚杆杆体，并注射水泥浆。锚固体与地层间锚固长度不应小于1.0m，根据《建筑边坡工程技术规范》要求，岩石锚杆的锚固段长度不应小于3.0m，且不宜大于45D和6.5m，因此本次设计锚固段长度为3～9m。锚杆锚固长度的抗拔承载力为572.59kN。待锚杆水泥浆硬化达到规定强度后，将锚杆锚头锚固于垂直槽型构件上。

4.6 铺设土工格栅、反滤土工布及边坡填筑

在离路堤边坡一定距离处设置上下紧固装置，紧固装置的螺杆插入下层土体或路堤填料中一定深度，套入下压板，最下层路堤依次铺设土工格栅和反滤土工布，套入上压板，拧紧螺栓紧固，上端螺杆插入上层填料中一定长度。边坡填筑层的下端，在铺设完土工格栅和反滤土工布后，采用透水性好的砂性土、砾石类土或碎石头回填，采用振动压路机和羊足碾分层多遍碾压密实。土工格栅另一端通过连接装置与锚杆连接，首先将水平压接板固定在垂直槽型构件上，再将土工格栅穿过水平压接板并通过螺栓紧固，这样土工格栅所受拉力就将通过水平压接板传递给垂直槽型构件上，进而有锚杆承担。土工格栅加紧间距为0.4m，筋材长度为12～22m。边坡填筑结束后，检测合格后再将反滤土工布和土工格栅反包。并将反包到填筑层上端的反滤土工布、土工格栅与上层的土工材料通过紧固装置固定。

4.7 生态袋

生态袋目前只有厂规，没有现行的国家规定，一般要求具有抗紫外、抗老化、无毒、不助燃、裂口不延伸的特点。根据刘鸿鹄[8]等研究，生态袋的构成纤维要比土工袋纤维致密，有利于生态袋有较好的强度，且可以阻绝袋中的土颗粒透出；水分可以对生态袋袋体进行浸润，但无法对土工袋予以浸润；所以要严密区分生态袋和土工袋，选用的袋体材料与水的浸润性要良好，确保养分、水分交换。施工时袋口用打包机封好，按设计控制土袋位置，码放整齐牢固。

5 沉降监测

根据监测报告分析，本项目一年累计沉降量117mm。沉降变化最大时正处于雨季，详见图7。故挡土墙做好后，建议暂不封顶，雨水自然沉降，或浇水，让沉降趋于稳定。全部完成后，要及时做好场平封顶和排水措施，减少长期累计沉降量。

图7 边坡沉降—时间折线图

6 经济效益

边坡防护通常采用重力式混凝土挡土墙+多级加筋反包进行边坡防护，消耗大量材料的同时也显著增加地基处理的造价。本技术采取锚杆与土工格栅拉结，使原岩与后填处紧密结合，降低了不均匀沉降危害，与整个边坡全部采用传统重力式挡土墙相比，节省造价约70%；与多级土工格栅加筋方法比，增加锚杆与地层拉结，增加造价约10%。采用本技术综合节省工程造价50%左右，具有显著的经济效益。

7 结语

（1）高边坡多级柔性加筋土挡墙造价低，但累计沉降量大，如形成场平，再造建筑物时应做基础处理。

（2）建德更楼矿业生产厂区边坡加筋土挡墙进行了有限元数值模拟，模拟结果与一年内实测累计值接近，预计长期沉降量将会较大。

（3）挡土墙受雨水影响大，需尽早封闭，并做好防排水措施。