台阶式加筋土挡墙模型设计研究

麻琳琳，李伯潇

（青岛城市学院，山东 青岛 266000）

0 引言

加筋土挡墙是指在回填土中分层铺设高模量抗拉筋材，共同构成坡度较陡或直立的复合挡土结构[1]；与传统挡土结构相比，加筋土挡墙具有工程成本低，施工简单方便等特点。其中，筋材土工格栅独特的纵横相连结构形式能够在一定程度上控制填土的局部变形，减小挡墙水平位移，提高土的整体稳定性。但目前对加筋作用机制的研宄以及设计方法等还滞后于实际工程应用，理论分析还依托于模型。模型试验是加筋土挡墙领域开展力学与变形性能分析的重要手段，为准确预测原型加筋土挡墙动力特性和变形与力学规律，选择合理的模型试验是必要的[2]。本文通过沙箱模型试验，获得台阶式加筋土挡墙的受力性能数据，验证设计的可行性和可靠性。通过模型试验分析和研究台阶式加筋土挡墙的设计和方案优化，对于推广和应用该新型土工结构，提高工程建设的安全性和经济性具有重要意义。本文将通过设计方案对比进行阐述。

1 设计方案一

1.1 筋条布置

优化的筋条布置方案如图1 所示，以改进台阶式加筋土挡土墙的稳定性和抗侧压力能力。

图1 方案一筋带位置和面板及其折叠、裁剪（单位：cm）

优化方案中所选用的筋带规格参数如图2 所示，每条筋带宽度为2cm，考虑到筋带与面板的连接长度2cm/条，则所需筋材用量如下：2×（60+2）×4+2×（40.8+2）×3+2×（28.8+2）×4+2×（48.25+2）×4+2×（39.2+2）×3+2×（30+2）×4=1904.4cm2，则所需筋材质量为120g×1904.4/3600=63.48g。

图2 筋带长度

1.2 理论验算

1.2.1 面板后填料产生的水平土压力

（1）Ⅱ级挡墙设计如式（1）～式（3）所示。

1.2.2 填料上荷载产生的土压应力

填料上荷载产生的土压应力如式（7）所示。

当hi≤btan60°时，li＇=l0+2hitan30°；当hi＞btan60°时，li＇=b+l0+hitan30°。

式中：γ=17.2kN/m3；hi——第i 层拉筋所在处的填土深度；h0——当量土层厚度；l0——当量土层长度；li＇——第i 层拉筋所在处。

（1）Ⅱ级挡墙设计如式（8）～式（10）所示。

则挡土墙所受水平总压力计算如式（14）～式（19）所示。

1.2.3 拉筋所受垂直应力计算

拉筋所受填土产生的竖向应力计算如下。

（1）Ⅱ级挡墙设计如式（20）～式（22）所示。

拉筋所受竖向附加荷载产生的竖向应力计算如下。

（1）Ⅱ级挡墙设计如式（26）～式（28）所示。

（2）Ⅰ级挡墙设计如式（29）～式（31）所示。

则拉筋所受垂直总应力计算如式（32）～式（37）所示。

1.2.4 拉筋所受拉力计算

拉筋所受拉力计算如式（38）所示。

式中：Ti——第i 层拉筋所受拉力；Sxi——第i 层拉筋间的水平间隔；Syi——第i 层拉筋与第（i-1）层拉筋之间的竖直距离。

（1）Ⅱ级挡墙设计方面，由图1 可知：Sx1=Sx3=0.13m，Sx2=0.13 +0.06 =0.19m，Sy1=0.045m，Sy2=Sy3=0.075m。

则可得式（39）～式（41）。

（2）Ⅰ级挡墙设计方面，由图1 可知：Sx4=Sx6=0.13m，Sx5=0.13+0.06=0.19m，Sy4=0.05m，Sy5=Sy6=0.075m。

则可得式（42）～式（44）。

1.2.5 拉筋长度计算

拉筋长度由无效长度和有效长度两个部分组成。Ⅱ级挡墙初步设计长度一般大于0.7H 或2.5m，若墙顶有填土或集中荷载作用时，应大于0.8H～1.1H；Ⅰ级挡墙加筋长度应大于等于0.6H（H=H1+H2），通过验算挡墙的内外稳定性来判断初始长度是否符合要求。拉筋长度计算如下。

设Lb1=2.5H=0.6m，Lb2=1.7H=0.408m，Lb3=1.2H=0.288m。

设Lb4=1.93H=0.4825m，Lb5=1.568H=0.392m，Lb6=1.2H=0.3m。

则可得式（49）～式（54）。

式中：Li——第i 层拉筋所需的长度；Lai——第i 层拉筋中的无效长度；Lbi——第i 层拉筋中的有效长度。

筋材与挡土墙面的连接方式为在每根筋带左端起2cm 位置处将筋带（牛皮纸）折起作为与挡土墙面的连接部分，用胶带横向将筋带折起部分与挡土墙面连接在一起。牛皮纸与面板连接方式如图3 所示。

图3 牛皮纸与面板连接方式

1.2.6 结论

设计方案一的沙箱模型试验成功，静载和动载的试验均达到预期要求。通过分析加筋土挡墙结构中填土粘聚力和内摩擦角对挡墙面板变形的影响，确定填土参数变化对挡墙面板变形的影响规律；根据加筋土挡墙结构中各影响因素分析结果，提出加筋土挡墙设计优化建议。

加筋材料的布设是加筋土挡墙结构设计的重点，当拉筋长度过短时，无法起到预设加筋效果；过长对结构稳定性无意义。在以上分析基础上对设计方案一进行优化，得到设计方案二。

2 设计方案二

优化措施如下。

（1）筋条宽度减少。每条筋带宽度调整为1cm。

（2）筋条连接长度减小。筋带与面板的连接长度调整为1.5cm。

（3）所需筋材用量为1×（60+1.5）×4+1×（40.8+1.5）×3+1×（28.8+1.5）×4+1×（48.25+1.5）×4+1×（39.2+1.5）×3+1×（30+1.5）×4=941.2cm2。

（4）调整布置方式，将拉筋调整为环状，加筋体中拉筋断裂或从填土中被拔出都会造成加筋土挡墙破坏[3]；所以需要调整拉筋布置，上下墙的布置方式如图4 所示。

图4 上下墙的布置方式

方案二的模型试验相比方案一能更好地承受静载和动载的加持，同时降低材料用量，提高整体结构安全性和经济性。

3 结语

大量实践与理论研究表明，台阶式加筋土挡墙分级模式（分级数、分级墙高和台阶宽度）、填土与地基土性质、筋材参数等是影响其性能的重要因素[4]。综上所述，进行沙箱模型观测和试验，主要分析参数包括界面摩擦系数、墙后填土粘聚力及内摩擦角、筋材垂直间距、加筋长度等；通过参数调整，模拟台阶式加筋土挡土墙工作性状与加筋机制，得出新设计思路，进一步提高设计、施工等方面的技术水平和应用效果，为加筋土挡墙进一步研究做好基础准备。