复合结构加筋土挡土墙的设计与施工

复合结构加筋土挡土墙的设计与施工朱群许道龙(作者单位：安徽省水利水电勘测设计院230022)[摘要]本文介绍加筋土复合结构的设计和施工。[关键词]挡土墙加筋土土工格栅1概述加筋土挡墙结构目前已较多的应用于挡土墙工程。在水利工程中，经常会遇到较高挡土的挡土墙，其对地基的承载力和不均匀沉降的要求较高，按常规工程设计，需要采用钢筋混凝土空箱式挡土墙，工程投资大，施工工期长。由于水利工程的特点，如水闸的翼墙、岸墙，需要满足抗冲刷、工程耐久性和防渗要求，采用纯加筋土挡墙难以满足要求。因此，采用常规小断面挡土墙作为前墙，其后填筑加筋土，构成复合式挡土墙，能够充分利用加筋土和常规结构的优点，具有明显的技术和经济效果。复合挡土墙典型结构如1。2复合加筋挡土墙的设计复合加筋土挡土墙的设计内容包括：结构布置；加筋土的内部稳定计算；前墙的稳定和结构计算；加筋土与前墙的深层滑动稳定性计算；构造设计。2.1结构布置本文借用临淮岗深孔闸复合式加筋土挡土墙的结构图来介绍。临淮岗深孔闸复合式翼墙结构见图1。前墙为空箱结构，墙后加筋土与空箱墙背相距1m，空箱墙按一般翼墙布置要求布置。空箱前墙的结构尺寸根据挡土高度按无加筋土计算其抗滑安全系数0.9～1.0。土工格栅加筋土的底面约在墙挡土高度的1/3～1/4处，其目的使复合式翼墙布置经济合理。加筋土中的土工格栅，各层垂直间距一般取0.4～0.6m。加筋材长度可为墙高的0.7倍，如果墙后填土为斜坡或填土面还有超荷载作用，可设为墙高的0.8～1.0倍。为防止侧向绕渗，在土工格栅与空箱墙背的接触面形成集中渗流通道，土工格栅加筋土与墙背之间回填粘性土。2.2加筋土的内部稳定计算加筋土按一个独立挡墙结构进行设计，其本身应能够满足内部稳定。复合式加筋土挡墙的加筋体计算主要是计算加筋体的内部稳定。内部稳定性分析计算是要解决拉筋的设置问题，保证筋土形成的复合体能共同工作。2.2.1土体加筋原理加筋土能够提高土体的抗剪强度，国内外对其加筋机理研究较多。这里简要介绍摩擦加筋原理。在加筋体中取出一微段来分析。如图2所示，微元体长为dl，拉筋左截面受力为T1，右截面受力为T2，压住拉筋的法向应力为σ。略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之间的摩擦系数为f,b为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为dT,dT＝T1－T2。设dF为土粒与拉筋图1混合结构土工格栅挡土墙T21Tdlσσ图2摩擦加筋原理图3筋挡土墙的受力分析在该微元段上产生的总摩擦力，则有dF＝2σfbdl根据对该微元体的受力分析，可知如果dF＞dT则筋－土之间就不会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋一土之间的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时（暂将加筋土体看成无筋土体），依据朗金理论，沿主动破裂面BC将墙体分为主动区和稳定区，见图3。下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现BC滑动面，加筋土体的内部稳定就有保证。2.2.2加筋土的内部稳定计算内部稳定性计算主要有两部分内容：确定筋带的拉力和筋带长度及抗拔稳定性。（1）加筋材料所受拉力加筋土体第i层一个结点加筋材料所受拉力按下式计算：yxiiiSSWKT式中：Ki—至墙顶深度为Zi处的土压力系数（见图4）；当Zi=6m时，Ki＝K0(1-Zi/6)+KaZi/6；当Zi＞6m时，Ki＝Ka。Wi－第i层加筋材料所受的法向压力（kPa）;Sx、Sy—结点的水平、竖向间距（m）；Zi—墙顶至第i层加筋材料的距离（m）；φ—加筋体填料的内摩擦角（度）。（2）加筋带抗拔稳定性主要是验算加筋带与土产生的摩阻力是否能够足以抵抗下滑土体产生的拉拔力。加筋带的抗拔稳定在设计中采用0.3H型简化破裂破裂面，见图5。筋带在土中的长度，位于主动区的长度为无效长度（Lli），位于稳定区（即破裂面后）的长度为有效锚固长度（L2i）。抗拔验算要求作用在有效长度上的拉筋摩擦阻力Fi大于拉筋的拉力Ti,即应有FiKfTi若为条带式拉筋，设Bi为条带总宽度，拉筋与填土间的摩擦系数为f，有效长度为L2i，忽略拉筋侧面摩擦阻力，则在深度Zi处拉筋的抗拔阻力为Fi=2BifσvL2i在设计中，要求Kf=Fi/Ti=[kf]式中：[Kf]—规定的抗拔安全系数。（3）加筋材料长度计算加筋材料的设计长度为自由长度（或主动区长度）L1与锚固长度La之和，即L＝L1i＋L2i对于垂直墙面L1i可按以下式求得：0hiH1，L1i＝0.3H；当H1hi=H，L1i=(H-hi)/tanβ,β=45°+φ/2-θ，θ为考虑地震作用的摩擦角的降低值。Ko＝1一sinφKa＝tg(45一φ)图4加筋材料的土压力系数沿深度分布图0.3HLL图5破裂面的确定2.3加筋土体的前墙计算前墙按通常的挡土墙进行设计和计算。计算包括稳定计算、滑移稳定计算、倾覆稳定计算、基底应力计算、沉降计算、前墙与加筋土体的深层滑动计算。这些计算都是比较常规的计算，下面就墙后的水平土压力计算、整体深层抗滑稳定计算、沉降计算加以说明。（1）墙后的水平土压力计算加筋土与挡土墙墙背之间因防渗需要，填有1m宽的土。与加筋土墙面相对的挡土墙墙背的水平土压力按高平行墙土压力计算问题进行计算。如图6,墙背各点的水平土压力计算公式如下：])([0AzeAqAKpBtgKAo2式中：δ－外摩擦角（度）；K0－侧压力系数；（2）加筋土与前墙作为整体进行计算整体稳定分析计算主要是基于前墙、加筋土体随地基一起滑动这一破坏状态。采用圆弧法进行计算。整体稳定计算在设计中非常重要，特别是对挡墙较高和较差地基情况，应重视。（3）地基沉降变形计算复合加筋土挡墙工程的地基只计算前墙的地基沉降，按土力学中的分层总和法进行。容许沉降值和沉降差值的标准，在设计中可根据墙的高低和地基土的性质，根据工程经验或参考其他建筑物的容许沉降值来控制。2.4构造设计复合式加筋土挡墙没有前墙面板，其加筋土端部应采用土工布包裹，详见图7。前墙应按一般挡土墙要求，在墙背设排水砂沟和排水管，将墙后渗水排出，减小墙后土压力。3施工（1）施工顺序：先施工空箱前墙到设计墙顶高程并填筑好空箱中的回填土，然后在墙后回填土及进行土工格栅加筋土的施工。（2）加筋土中土工格栅按主强度方向垂直于墙面铺设，每层面相邻格栅片应扎紧。（3）拉筋铺设应置于密实的填土上与之密贴，拉筋顺直，不得弯曲。（4）加筋土墙面处应按规范用土工格栅包裹土层，土工格栅的转折长度不小于1.2m。在近墙面宜采用轻型机械压实。（5）加筋土筋材间填土压实度不小于0.92。严禁沿横断面方向推土和车辆直接碾压拉筋，施工机械在拉筋顶面行走或碾压填土时，其上部填土厚不小于0.15m。（6）填土中不得含有粒径大于20mm的尖棱状碎石，以免损坏拉筋。（7）加筋土墙面与前墙的墙背间的填土在加筋土填筑至一定的高度后开始回填，回填应采用小型机械压实，其上升高度应比加筋土迟2m左右。使加筋土在该土体回填之前能自由侧胀，减小加筋土体的侧胀对前墙的墙背的压力。4工程实例临淮岗深孔闸是临淮岗主要泄水建筑物之一，位于临淮岗引河主河槽上，12孔，单孔净宽8m，其两岸翼墙，最大挡土高度13.3m。深孔闸地基结构持力层为1m厚的中粉质壤土，其下层为细砂，地基承载力为图6高平行墙土压力计算图7加筋土端部详图220kPa。因深孔闸上下游翼墙挡土高度较高，经过方案比较，最后选定土工格栅的复合式挡土墙结构。翼墙剖面图见图1。土工格栅采用重庆双友加筋土工程有限公司的TGDG120型钢塑土工格栅，每米纵向拉伸屈服力127kN/m，屈服伸长率1.9％。翼墙在施工中和建成后进行了沉降观测，未发现有明显的不均匀沉降。建成后8个月，翼墙沉降已基本稳定，实测翼墙墙顶部前倾约10mm。设计在空箱墙后布置了一定数量的土压力盒，墙体建成后进行了观测，墙后土压力比理论计算值小30%。根据临淮岗深孔闸翼墙初步测算，复合式翼墙较一般空箱式翼墙节省投资约7%。5结语复合式加筋挡土墙结构能改善地基受力条件，提高结构抗滑稳定性。复合式翼墙也是一种经济的结构形式，值得在软基上高挡土结构中推广使用。参考文献1、何光春，加筋土工程设计与施工，人民交通出版社，2000年4月2、土工合成材料工程应用手册（第二版），土工合成材料工程应用手册编写委员会，中国建筑工业出版社，2000年10月3、土力学与地基基础，天津大学主编，人民交通出版社，1980年12月4、水工设计手册第7册，水利电力出版社，1989年5月