新型加筋格宾挡墙在用地受限高填方路基中的应用研究

张玉东,陈延伟,李本云

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550081）

0 引言

高速公路跨度大、布设方式灵活多样，项目建设中常通过减少桥梁增加填方来消耗弃方或节约投资，但是当填方较高时又存在安全风险和用地问题。近些年来，国内铁路公路等行业对加筋格宾挡墙在填方路基中的应用取得了较大的研究进展，采用加筋格宾挡墙进行填方收坡，既能解决填方占地较大的问题，又能保证填方安全稳定。如，杨乃彬等在某高速中采用新型绿色加筋格宾挡墙进行填方支挡，节约了农田用地；王锦结合工程实例评价了加筋格宾挡墙的优势；杨文娟等在山区公路中采用加筋格宾挡墙，并进行了大量计算分析，验证方案的稳定性；杨文江等对比了加筋格宾挡墙与传统挡墙。该文以工程实例介绍了在用地条件限制下，采用一种新型绿色加筋格宾挡墙对填高超过30 m 的高填方路基进行收坡处理的设计应用方案，并对高填方路基稳定性进行计算分析，评价高填方边坡的稳定性。

1 工程项目概况及难点

滇中某高速公路高填方路基位于K46+600～K46+900段，长300 m，地形呈深V 沟谷。根据地勘报告，场地上覆碎石土和含碎石粉质黏土，为第四系残坡积层（Qel+dl），其中，含碎石粉质黏土主要分布于场区中部平缓地段及路线纵向大桩号侧，区内总体厚度在2～10.0 m 之间，钻探揭露厚度1.8～9.0 m；碎石土主要分布于路线纵向小桩号侧，区内总体厚度在0～8.0 m 之间，钻探揭露厚度2.0～5.1 m；下伏基岩为侏罗系中统张河组（J2z）中厚层状粉砂质泥岩夹长石砂岩、粉砂岩，其中，强风化粉砂质泥岩夹粉砂岩中厚层状，呈紫灰或紫红色，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状、块状，施工钻探揭示厚度1.0～3.6 m。区内地下水的类型主要有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，地下水靠大气降水垂直补给，地下水埋深较深。谷流水属于季节性径流。场区无不良地质，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震动峰值加速度为0.15 g，场区地震基本烈度为Ⅶ度。各岩土体主要物理力学参数取值如表1 所示。

表1 岩土物理力学参数取值

工程区域属于某水库水源二级保护区，路线纵向横跨山间沟谷，位于路线两长隧道之间，施工阶段为消耗隧道洞渣，取消原设计桥梁方案，变更为填方路基通过，填方位于沟谷内，填方路堤中心最大填高36 m，底部地势平坦宽阔，地基较好。但是由于路线左侧距离水库水源一级保护区较近（路基边缘距水源一级保护区40.38 m），且在一级保护区与二级保护区之间还有一条省级道路通过。如果按常规的填方边坡坡率（1 ∶1.5～1 ∶2）放坡，一定会占到省道和一级水源保护区，因此，必须采用一种既能减少占地又能保证高填方边坡安全稳定的防护措施。

2 新型加筋格宾挡墙及设计方案

2.1 新型加筋格宾挡墙介绍

加筋格宾属于加筋土领域的结构系统。加筋土是将抗拉性能比较好的材料预埋在土中，充分利用其抗拉性能，继而形成一种整体稳定性相对较高的复合体，通过加筋材料和填土材料之间存在的相互摩擦力共同承受外力作用[1]。该文介绍的新型加筋格宾挡墙是由六边形双绞合钢丝拉筋网面组合成的（如图1 所示），是一种柔性、透水性、整体性良好的结构，其中网面钢丝为镀锌覆高耐磨有机涂层低碳钢。因此，该结构在工程应用方面具有很大的优势，如占地面积小、对地基的承载力要求低、绿化效果好、在大型工点中经济性好等。新型加筋格宾挡墙的筋带网面与面墙采用无节点连接，这种连接方式力学性能稳定，还能够提高施工效率，具有很大的优势。墙面形式一般采用直立式或者退台式，墙面网箱内填充不易风化的石块，当填方较高时采用分级直立式或分级退台式。其中退台式墙需要根据设计坡率设置退台宽度，一般为0.15～0.5 m，这样也便于台面和墙面绿化。加筋格宾挡墙有很多优势，它布设形式多样，具有良好的适应性，可以根据地形进行灵活布置，同时其抗震性和抗往复动荷载能力也很好，在工程实际中解决蠕变等问题[2]。因此，加筋格宾挡墙在很多工程领域得到广泛应用。

图1 新型加筋格宾挡墙钢丝网面部

2.2 高填方边坡设计方案

高填方路基路堤中心最大高度达36 m，为避免占到省道和水源一级保护区，必须减少占地。设计中采用新型加筋格宾挡墙退台式墙方案增大边坡坡率（1∶0.75～1∶1），边坡坡率依据省道的平曲线布设，格宾挡墙设计两级边坡，高度分别为9 m 和12 m，平台宽度为2 m，坡脚设置混凝土挡土墙收坡固脚，边坡占地距离不到25 m，有效解决占地问题，如图2 所示。加筋格宾挡墙的面墙为镀锌覆高耐磨有机涂层低碳钢组合的格宾网，单元规格为100 cm*80 cm，网面标称拉伸强度不小于42 kN/m，网面标称翻边强度不小于35 kN/m，内部采用强度等级不低于MU30 的不易风化的质地坚硬石料干砌。墙后采用特殊的高韧性聚酯纱线集束格栅进行结构填土，这种特殊格栅须满足设计力学要求，方案中的集束格栅采用超声波焊接而成，格栅条带外覆PEPE 鞘套保护层。根据验算，墙后的格栅水平长度设置20 m 或25 m，垂直间距为1 m。加筋土路堤及后缘非加筋部分路堤应严格按照相关规范进行施工。

图2 新型加筋格宾挡墙典型横断面设计图

3 高填方稳定性分析评价

3.1 稳定性计算方法

3.1.1 加筋土内部稳定性计算

采用该文介绍的新型加筋格宾挡墙的填方路堤属于加筋土结构，加筋土结构内部稳定性计算包含两方面：

（1）首先计算单根筋带的抗拉能力，在进行筋带布设时，应先进行预估计算，以此来确定筋材的强度和布设间距。

（2）考虑筋材作用，首先根据条分法原理，计算加筋结构块，内部稳定性，然后调整筋材布设方案，如筋材的强度、水平间距、垂直间距以及筋带长度等，以使筋材的布设方案更加合理、经济，该过程需要反复调试优化以使方案安全经济，计算量较大，因此必须采用相应的软件来计算。

3.1.2 筋带抗拉强度的确定

加筋格宾第i层筋材所受水平拉力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[3]，即：

式中，vσΔ ∑ ——超载扩散至zi深度处垂直附加应力，荷载扩散线的斜率为2 ∶1，扩散线与墙背交点以下部分须考虑土压力作用（kPa）；r1—— 加筋土填料重度（kN/m3）；r2——加筋体顶面以上填土重度（kN/m3）；h——加筋体顶面以上填土换算等代均布土厚度（m）；Sv——筋材垂直间距（m）[3]。

筋材强度条件应符合下式要求：

式中，Timax——各层筋材中最大水平拉力（kN/m）；Ta——筋材允许抗拉强度（kN/m）。

3.1.3 内部整体稳定性验算

对于内部整体稳定性的验算，通过软件进行，即利用简化Bishop 法原理，搜索最不利滑动面，所得到的滑面中近似包含了0.3H 折线破裂面和朗肯破裂面。简化Bishop 法计算每个土条两侧条间力，保证整体力矩和土条垂直力的平衡，其假定的滑动面为圆弧形，并考虑了安全系数，即抗滑力矩和下滑力矩之比。

加筋单元在截断滑动面区域内可增加坡体的稳定性，破裂面穿过筋带时，将伸入滑弧后面的筋带长度产生的摩阻力、滑弧前面筋带长度所产生的摩阻力和筋带抗拉强度三者的小值对滑弧圆心取矩，视为稳定力矩。考虑加筋单元作用的安全系数如下：

式中，ci、φi——第i条块滑动面处黏聚力和内摩擦角；bi——第i条块滑动面处弧长（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夹角（°）；Pi——穿过破裂面的第j道筋带抗拔力（kN）；θi——穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线夹角（度）[4-6]。

3.1.4 整体稳定性验算

按设计要求墙后填土分布较均匀，因此同样采用简化Bishop 法进行整体稳定性分析，计算软件为MacStars 软件。

3.2 高填方设计方案稳定性评价

根据现场踏勘及施工图设计阶段工程地质勘察资料，利用Macstars 软件对高填方路基新型加筋格宾挡墙进行内部和整体稳定性计算，并与规范要求进行对比（如表2），可见加筋土内部及整体稳定性均满足规范要求，高填方路基安全稳定。

表2 稳定性计算结果

4 结语

该文介绍的工程案例，由于填方高度较大，通过计算分析并对加筋格宾挡墙进行合理设计，稳定性计算结果证明该方案能够保证高填方的边坡稳定。通过采用新型加筋格宾挡墙增大边坡坡率，减少了占地范围，也实际解决了该工点用地受限的问题。新型加筋格宾挡墙具备一些传统支挡方案所不具备的特点和优势，在今后更多的工程建设中必能发挥作用，解决更多工程实际问题。