桥头路基加筋挡土墙优化设计

摘要：以肯尼亚某公路路基采用加筋挡土墙为背景，首先详细介绍加筋挡土墙的施工工艺及施工流程。利用有限元软件建立加筋挡土墙模型，系统探讨加筋挡土墙加筋长度、加筋层数、加筋体弹性模量对挡土墙侧向变形的影响，获得了本工程合理的挡土墙设计参数。研究结果表明：面板制作与安装、筋带安装、填料施工这3个施工过程需着重关注；在一定范围内，增大加筋挡土墙加筋长度、加筋层数、加筋体弹性模量，均能有效抑制挡土墙侧向变形；本工程合理的加筋长度为3～4m、加筋层数为10层，弹性模量为2.5GPa。

关键词：公路桥头路基；加筋挡土墙；有限元分析；侧向变形

0 引言

土工格栅是一种主要的土工合成材料，与其他土工合成材料相比，它具有独特的性能与功效，常用作加筋土结构或复合材料的筋材等[1]。土工格栅加筋挡土墙是一个整体复合型的挡土结构，共分为3个部分：第一部分为填土，第二部分为土工格栅，第三部分为竖直的墙面板[2]。

针对土工格栅在不同工程中的应用，国内众多学者通过有限元分析法、理论解析法、试验法等手段对此开展了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。肖念婷等[3]基于某土工格栅加筋挡土墙工程，利用数值软件建立挡土墙模型，分析土工格栅加固机理，对比不同工况下挡土墙的受力变形。赵世涛等[4]以某采用塑料土工格栅的挡土墙为研究对象，通过离心试验，研究边坡沉降与土体位移规律，进一步分析了塑料土工格栅的拉伸特性。徐振鸿[5]通过室内土工格栅拉伸试，研究不同影响因素对筋土界面作用的影响，并通过有限元软件，分析静荷载边界条件下拉拔过程中填土配位数和孔隙率的变化规律。

本文以肯尼亚某公路路基采用加筋挡土墙为背景，介绍了加筋挡土墙的施工工艺，从而获得本工程合理的挡土墙设计参数。

1 工程概况

肯尼亚蒙巴萨南部旁城路项目第一期连接在建蒙巴萨港口与A109公路，既有铁路线改移1091m，乡镇道路改移404m。本项目建成后，去往内罗毕方向的重型车辆不再通过市区，将大大缓解市区交通压力。

本工程中AGOL区域有天然气管线，且距离线路中心较近，为不对管线造成影响，故收缩坡脚节约用地，该段路基设计采用加筋挡土墙的形式进行填筑施工，加筋挡土墙模块分层砌筑，桩号为K5+480～K5+520、K5+640～K5+740，加筋挡土墙全长140m。

2 施工工艺流程

加筋挡土墙施工工艺流程图如图1所示。

3 加筋挡土墙施工关键技术

3.1 施工准备

3.1.1 测量放样

在施工前，按照规范要求已经做好此标段的控制测量，并根据控制测量成果对挡土墙控制点进行准确测量放样。

3.1.2 材料准备

采用高密度聚乙烯单向格栅，为整体冲孔拉伸性格栅。面板采用C30混凝土浇筑而成。为满足挡土墙稳定性、地震冲击、挡土墙变形等要求，面板应具有高强度、刚度大、柔性足等特性，墙面坡度1：0.05。

筋带全部采用镀锌带肋钢带，按设计长度要求进场。为发挥填料与筋带间摩擦力，保持挡土墙的整体稳定性，填料应选择级配好的砂石类土。且填料应具有好的透水性，防止加筋体被腐蚀。填料最大粒径不得大于15cm，粒径大于2mm的不超过50%。

3.2 加筋挡土墙施工

3.2.1 基础处理

AGOL施工区域三面环山，一面靠海，属沿海滩涂区域，地势较低，桥下结构复杂，泥沙堆积，有泥塘、沼泽。涨潮时被淹没，落潮时露出。

因地质情况不好，承载力极低，根据实际情况，对该区域进行挖淤换填处理，深度应大于3m。换填片石顶标高应大于海水涨潮后标高1m，以确保涨潮时不被海水淹没。完成上述施工后，检测地基承载力确保满足本工程对承载力的要求。随后施工加筋挡土墙基础。

3.2.2 面板制作与安装

面板的模板采用定型钢模板，模板的尺寸设计根据图纸及规范要求，尤其注意模块应设置凹凸榫，并保证凹凸榫的准确性。在小型预制件厂预制模块时，应倒置面板，使外露面朝下。在面板水平时固定连接带并放置钢筋。

随后边浇筑边振捣混凝土，且工人应及时抹平混凝土。混凝土强度满足要求时，进行拆模施工。拆模后面板集中存放，面板间用方木搁置，并水平摆放。面板间的距离不应小于连接带裸露在外的尺寸，面板堆放数量不能大于6块，以保证面板不变形不被剐蹭。现场需要时集中运送到现场。

施工面板钱，设计挡土墙尺寸及面板摆放位置。用起重机吊装面板放置在指定位置，保证面板清洁。用1cm厚砂浆砌筑首块面板并调平，面板间水平误差、垂直误差、安装缝、倾斜度均需满足要求。不得在未完成填土作业的面板上安装上一层面板。面板之间采用硬质塑料固定。

3.2.3 筋带安装

通过镀锌螺栓将面板裸露部分连接到筋带上，将填料压实并整平，随后放置面板于其上，不能弯曲和叠放，棱角不能互碰，以防止剐蹭。用少量填料从拉环处向筋带尾部覆盖，使之固定。

3.2.4 填料施工

在取土场挖装选好的填土并将其运送到现场指定地方，与面板保持安全距离（1.5m），将填土卸载下。未铺放填料时，筋带上不能行驶机械，以防止下层筋带扰动。

要保证填料压实厚度大于填料粒径的2倍，填料粒径均不能超过100mm，填料不能掺杂其他杂质。距面板1.5m范围内，用人工摊铺。距面板0.3m范围内，全部用碎石填筑，用土工布包裹。分层压实填料，加筋挡土墙范围内每两层实施填土，同时铺一层土工格栅。

3.2.5 墙面封顶

顶层墙面模块安装后，所形成纵向高低不平，用砂浆找平，严格控制设计标高。找平砂浆养生达到一定强度后，即可现浇帽石。

4 基于有限元加筋挡土墙参数优化

4.1 数值模型

根据工程概况，建立加筋挡土墙数值模型，如图2所示。模型整体尺寸为宽×高=15m×10m。模型共划分3534个单元，5489个节点。

模型边界条件如下：模型两侧为水平向位移约束；模型底部为水平和竖直方向位移约束；模型表面为自由边界。考虑到模型中土体单元为塑性材料，采用四节点矩形单元；土工格栅采用弹性材料模拟；面板单位用软件内置梁单元模拟。材料参数如表1所示。接触面模型参数如表2所示。

4.2 参数优化

4.2.1 加筋长度

为分析加筋挡土墙加筋长度的影响，建立7种不同工况：2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。挡土墙最大水平位移随加筋长度变化曲线如图3所示。从图3可以看出，随着挡土墙加筋长度增大，挡土墙最大水平位移首先迅速减小，随后缓慢减小直至趋于稳定。当加筋长度在2～4m范围内，加筋长度变化对挡土墙水平变形影响显著。但当加筋长度超过4m后，这种影响越来越小。

分析认为，由于加筋长度增大会增强锚固摩擦力，加筋体与填土的相对位移变小。但当加筋长度超过一定值，筋材提供的抗拉强度已饱和，故锚固摩擦力增大有限。同已有研究结果[6]一致，加筋长度不超过挡土墙高度的0.7倍（文本为0.67倍），加筋长度对挡土墙变形有较大的影响。加筋长度超过挡土墙高度的0.7倍后，挡土墙变形变化有限。因此，实际施工合理的加筋长度在0.5～0.7倍挡土墙高度最为安全、经济。

4.2.2 加筋层数

为分析加筋层数的影响，建立3种不同加筋层数工况：_{KAXRyXsdr4stm41SJd1OmQ==}加筋5层、加筋10层、加筋15层，图4给出了不同加筋层数下，挡土墙水平位移沿挡土墙高度的变化曲线2WndJgcjmfEIezgjjVJSaw==。

从图4可以看出，挡土墙水平沿墙高方向呈“鼓”状（先迅速增大，后迅速减小），在挡土墙中间位置挡土墙水平位移达到峰值，且加筋层数对挡土墙水平位移变化趋势无影响。加筋层数为5层时，最大水平位移约为58mm；当加筋层数增大到10层时，最大水平位移约为35mm，较加筋5层工况减小了约39%；当加筋层数增大到15层时，最大水平位移约为30mm，较加筋5层工况减小了约14%。

由此可见，加筋层数的增加能有效一致挡土墙侧向变形，但是加筋层数越大，对挡土墙侧向变形的抑制效果逐渐削弱。这是加筋间距过小时，加筋体间相互影响，不能充分发挥加筋体的抗拉强度。据此确定本工程合理的加筋层数为10层。

4.2.3 加筋体弹性模量

为分析加筋体弹性模量的影响，建立7种不同弹性模量工况。图5给出了挡土墙最大水平位移随加筋体弹性模量的变化曲线。

从图5可以看出，挡土墙最大水平位移随加筋体弹性模量首先迅速减小，随后缓慢减小直至趋于稳定。当弹性模量小于2.5GPa时，增大加筋体弹性模量能有效抑制挡土墙水平变形。但当弹性模量大于2.5GPa后，继续增大加筋体弹性模量会造成材料浪费。据此确定本工程合理的加筋体弹性模量为2.5GPa。

5 结束语

本文基于肯尼亚某公路工程，详述了加筋挡土墙施工工艺和流程，通过数值手段对加筋挡土墙相关参数开展敏感性分析。获得以下主要结论：

加筋挡土墙施工中，着重关注面板制作与安装、筋带安装、填料施工这3个施工过程。加筋挡土墙加筋长度、加筋层数、加筋体弹性模量均对挡土墙水平位移有显著影响，但都在一定范围内存在显著影响。最终确定本工程合理的加筋长度为3～4m，合理的加筋层数为10层，合理的加筋体弹性模量为2.5GPa。

参考文献

[1] 马旭.土工格栅加筋路堤边坡数值模拟研究[J].青海交通科技，2020，32（5）：43-46，52.

[2] 刘汉龙，吴维军，高玉峰.土工织物加固堤防非线性有限元分析[J].岩土力学，2003（1）：79-82，87.

[3] 肖念婷，王芳，张勇一.土工格栅加筋路堤的有限元分析[J].交通标准化，2011（1）：135-138.

[4] 赵世涛，杨蕾.塑料土工格栅对高填方边坡的加固特性研究[J].塑料科技，2020，48（12）：67-70.

[5] 徐振鸿.静动荷载边界条件下土工格栅拉拔试验宏细观研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2021.

[6] 纪溪文.土工格栅加固路堤边坡效果及影响因素分析[J]. 武汉理工大学学报，2021，43（12）：59-63.