预应力筋预拉力对预应力加筋土挡墙稳定性影响

摘要 研究预应力钢筋拉力对预应力加筋土挡墙稳定性的影响，选择有限元、理论分析法，对无粘结预应力加筋土挡墙的安全稳定性进行研究。通过逐步提高土挡墙的安全稳定性和顶荷载，对土挡墙结构的安全稳定性，其失稳由特征点的位移变化决定。介绍预应力筋的最大预拉力值及其对安全稳定的负面影响，并对其关键施工技术进行总结。随着最大预拉力值的增加，塑性体积在不平衡过程中逐渐减小。塑性体积与水平线的距离越小，土挡墙的最小主应力值和安全稳定度越高。

关键词 预应力筋;预拉力;加筋土挡墙;稳定性;影响因素

中图分类号 TU476.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0129-03

收稿日期：2022-03-02

作者简介：王云珊（1983—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程监理。

0 前言

加筋土挡墙结构具有施工速度快、经济效益好、外形美观、安全可靠、耐久性好、抗震性能好等优点。根据目前的研究和分析，加筋土挡墙的机理不受固定材料的约束，这种约束是一种被动效应。将固定材料与填料结合，形成摩擦机制和剪切机制，起到限制填料的作用。基于上述原理，加筋土中用的填料也具有相应的特性。如填料不好，会对加筋土挡墙层造成破坏。

1 理论基础

该技术可分为墙板、侧板、预应力筋和填料。通过拉预应力筋，可以驱动连续侧向受压板和墙板，加固区内的填充力达到主动约束状态，进而增强加筋土构件的力学性能。无粘结水平预应力钢筋混凝土施工期间，回填土上形成有效的水平预应力场属于关键施工技术，水平钢筋混凝土施工的扩散也与预应力筋的最大膨胀值有关。加筋中的水平应力不仅影响加筋的硬度，还影响加筋的稳定性，研究水平土压力对加筋土挡墙的稳定性和发展具有重要意义，是提高挡土墙安全性的合理途径。数值方法可分析加筋土挡墙的形状和应力，探究加筋体的作用机理。Leschinsky[1]等人采用数值模拟方法，综合分析了提高挡土墙稳定性的破坏方式，明确了挡土墙的内部结构破坏、外部损伤、复合材料破坏和整体损伤。

Chenrh[2]通过四种加固方法明确了加筋挡土墙的稳定性变化规律。合理的数值结果在很大程度上决定了填料的模型，常用的本钩模型包括：邓肯-张模型、莫尔-库仑模型、德鲁克-布拉格模型、修正剑桥模型等，莫尔-库仑是一种在我国广泛应用的土的本构模型。许多不同的研究结果都基于对该模型的分析。刘倍宏等[3]得到了有限填土加筋土挡墙稳定性的基本规律，打破了传统模型。

目前，用数值方法确定加筋土或挡土墙极限状态的标准一般有三种：①不收敛测量;②特征点突变、移位;③穿透等效塑性应力。以有限元计算结果的不收敛性为失稳标准，其中包含一定的不确定性因素。在特定情况下，计算结果可能会有很大偏差。不同的收敛速度会受到不同因素影响。步长的增加会对数值性能产生影响。有限元计算结果的收敛速度并不能代表挡土墙的施工已达到安全状态。在挡土墙稳定进入极限状态之前，土体的塑性区可以连通，塑性区可能很大，是计算挡土墙结构信息安全相关系数的一个标准，更适合于挡土墙结构本身。

2 参数研究

改变无粘结预应力加筋土挡墙结构失稳的措施随着节点位置的突变而具有不同的特点。当选择位移突变为结构失稳的标准措施时，坡肩通常选择在边坡的特征节点处，选择挡土墙稳定性的顶部措施，如图1中点A所示。在数据分析中，挡土墙的顶部荷载进一步增加，直到节点A处发生变形，顶部荷载的作用如图1所示，图中给出了数值模拟的多边形设计尺寸。工作参数设置见表1，预拉力值的合力介于主动土压力和被动土压力之间。

3 结果与讨论

当最大载荷为80 kPa时，预拉力值增加，顶部的水平荷载值也在增加。随钢筋中的塑性区在失稳过程中会逐渐向下移动，塑性区与水平线之间的夹角越来越小。滑动楔的重力随着预应力增加，底部与滑动面和水平面之间的角度减小。表2结果表明，完全施加预张力时构件最小主应力的变化。考虑到特征单元数量过多，最小主应力值为1～16个单元的规律。类似于未列出的其他元素的规律，特征元素1～單元8在增强区域中，而特征单元9～单元16处于非增强区域。从表2和表3可以看出，当通过施加一个预张力来完成预张力时，钢筋体内的最小和最大主应力值也会增加，而非钢筋体内的最小和最大主应力值也会减少。

预拉力值对挡土墙建筑物的稳定性有以下三个直接影响：①预拉力值的逐渐增大，钢筋中的完整性将逐渐增加，当不平衡时，钢筋的塑性面积将逐渐减小。当塑性区与水平线之间的位移和角度变化较小时，挡土墙施工的稳定性将得到提高。②最大预拉力值的增加，加固区填料的最小主应力值也会增加，提升填料的最大抗剪强度与挡土墙施工的稳定性。③预拉力值的增加，虽然未加筋填料的最小主应力值也会降低，但与加筋最小主应力值的变化相比变化不大，对挡土墙施工的稳定性没有损害。在预应力筋长度及预应力筋与预应力的位置关系不变的情况下，防护墙的稳定性随着预应力值的增加而逐渐发展和增加。

4 加筋土挡墙的施工技术要点

京台高速公路第四标段（北京段）正线底盘部分采用路肩加筋地面支撑墙，高度10 m。加筋土支护墙板采用凸凹模干砌。模块由干硬性混凝土制成，抗压强度为20 MPa，高尺寸×宽×长=19 cm×20 cm×40 cm。土工格栅的原材料为高密度聚乙烯（HDPE），粘结条的长度为14 m。面板和电网通过连接器连接。加筋土支护墙基础为30 cm×50 cm（高）×C25水泥条基础（宽），其下为90 cm厚分级碎石+3层三向土工格栅机械稳定层。

5 加筋土挡墙施工工艺

基层检查验收合格之后，依据设计要求，进行三层铺设[4]。第一层铺设三向土工格栅，在张拉平整，与地面紧贴且无皱褶之后，查看三向土工格栅的搭接宽度，确保其控制在30 cm以内，之后铺设级配碎石，推土机推平之后，压路机将其压实。将剩余的两层也按照此方式进行反复施工，条形混凝土构造，挂线处理，以此实现挡土墙模块的施工。

该工程拉杆采用单向土工格栅，如图3所示，提前将拉杆切割至设计长度。切割时，必须沿格栅横向预留一排长度至少为600 mm的纵向肋。在模块网格的末端，必须保留约100 mm的长度，以确保上部模块的榫头能够压入网格肋。不可沿着网格横档切割所有这些肋条，保留的网格肋条不能超出墙壁。沿路基纵向，相邻土工格栅可对接。用刷子清除模块顶部的残留物，将切割的网格放入模块的凹槽中，并用连接器夹住网格横档，以确保连接器覆盖每个网格。第二层和第三层的模块应按要求交错铺设，连接件和拉杆应压紧，拉杆应手动张拉固定。

填充、压实填充料，确保满足施工要求，从拉杆中间开始轧制填充材料，从尾部进行反复轧制，在靠近墙体1.5 m内，使用小型的压实机将其压实，厚度为19 cm，确保其与模块高度相同。在压实填料之后，修整、挤压变形模块，促使其与模块对齐，以此保障拉杆平整度满足相应的要求[5]。

6 施工技术控制要点

（1）要确保三向土工格栅与地面紧贴，且平整，无任何的褶皱，工作人员需要加强各组配合，施工铺设期间，第一组人员负责固定土工格栅，第二组则负责铺设、平整土工格栅，第三组负责U型钉固定土工格栅，确保三向土工格栅紧绷，避免其施工期间出现皱褶。机械在进行碎石填筑期间，不可因为滚动作业，对土工格栅产生影响，可选择反向传播的形式，进行碎石填筑，机器与土工格栅之间，填料厚度要>15 cm，避免机械设备直接在土工格栅上作业。

（2）拉杆紧固、无任何的皱褶，填料填充平整，将拉杆的作用发挥出来，确保拉杆受力合理。在铺设拉杆、安装好连接器之后，在上面搭建两层膜，操作人员对其进行按压，另一组人员则将拉杆的自由端钩住，借助辅助工具，朝后面施加张力，紧固拉杆，促使其与连接器保持竖齐，并朝着后槽表靠近。，使用U型钉固定端部与尾部，一般U型钉>4个，调整拉杆的平整度。

（3）挡土墙附近填料的压实度，在压实期间，挤压挡土墙，导致其变形，填筑期间，需要在挡土墙内侧预留专门的排水层，在轧制填料的过程中，避免挤压。强度2 cm范围内，可选择小型的碾压机，在压实填料之后，手动将排水层的零散填料清除干净，使用小型压实机进行压实与填充，在填料调整合格之后，进行下一道工序。

（4）挡土墙朝内倾斜1%，在施工前，可CAD模拟模块布置，每层模块外侧要比内侧高2 cm，挡土墙每高1 m，要朝内倾斜1 cm，在底层模块外侧追踪砂浆时，要高于底层模块内侧，气泡也要高于模块外侧。高度每高1 m，需要检查1次，并朝内移动1 cm，钢管立杆和水平管需要保持一定距离，注意吊杆的测量，模块外立面为凹面和凸面，测量点选择内侧。

（5）为保障挡土墙施工人员的安全，可在外侧设置脚手架（雙排钢管），为高处作业提供防护，便于模块的维修与砌筑，同时外侧要设置密目网，操作平台的宽度设置为90 cm，在上面盖上大板。道路钢管脚手架纵向间距设置为2 m、纵向水平杆间距为1.2 m，横撑外侧，斜撑中间，依据挡土墙的高度，搭设操作平台。

（6）为将顶层路面结构层摊铺机施工过程中的碾压、损坏与卷起问题解决，要结合工艺，挡土墙的受力情况，将顶部横拉筋的长度设置为2 m，带膨胀板的摊铺机摊铺结构层，在距离挡土墙2.5 m，要避免直接碾压拉杆，结合计算，在拉杆缩短2 m之后，可使挡土墙满足要求。

7 结论

随着预拉力值和挡土墙的稳定性增加。预张力值将对挡土墙的稳定性产生三个影响：

（1）随着预拉力值的增加，加强筋的完整性增强。当失稳发生时，加强筋中的塑性区逐渐向下移动，塑性区与水平线之间的夹角越来越小。挡土墙的稳定性将提高。

（2）随着预拉力值的增大，加筋中填料的最小主应力增大，从而提高填料的抗剪承载力，进而提高挡土墙的稳定性。

（3）随着预拉力值的增大，非加筋体中填料的最小主应力减小，但与加筋体中最小主应力的变化相比变化较小，对挡土墙的稳定性没有影响。由该公式导出的失稳载荷与数值结果吻合较好。

参考文献

[1]Leschinsky.Influence of pretension of prestressed reinforcement on stability of prestressed reinforced earth retaining wall [J] Highway engineering， 2020（4）： 61-66.

[2]Chenrh. Study on static performance of unbonded prestressed reinforced earth retaining wall under top load [D] Hunan University， 2020.

[3]刘倍宏. 无粘结预应力加筋土挡墙变形及极限荷载研究[D]. 长沙：湖南大学， 2019.

[4]杜运兴， 陈仕文， 周芬. 预应力筋预拉力对预应力加筋土挡墙静力性能影响[J]. 公路工程， 2019（2）： 28-35.

[5]邓迪曦. 侧压板面积对无粘结预应力加筋土挡墙力学性能影响研究[D]. 长沙：湖南大学， 2018.