加筋土挡土墙设计与施工技术

加筋土挡土墙设计与施工技术(一)概述一、结构与挡土原理加筋土挡土墙是由基础、墙面板、帽石、拉筋和填料等几部组成，如图1一1所示。其挡土原理是依靠填料与拉筋之间的摩擦力来平衡墙面所承受的水平土压力(即加筋土挡土墙的内部稳定)，并以基础、墙面板、帽石、拉筋和填料等组成复合结构而形成土墙以抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力(即加筋土挡土墙外部稳定)，从而保证了挡土墙的稳定。加筋土挡土墙的优点是对地基承载力要求低，属于轻型支挡结构，适合在软弱地基上建造，施土简便，施土速度快，污土量少，节省投资，少占地，外形也美观。图1一1加筋上挡上墙结构图加筋土挡土墙一般应用于支挡填土土程，由于加筋土挡土墙所具有的特点，在公路、铁路、煤矿土程中得到较多的应用。但是对于8度以上地区和具有强烈腐蚀环境中示宜使用，对于浸水条件下应慎重应用。二、加筋加固机理1)加筋土基本原理砂性土在自重或外力作用下易产生严重的变形或倒塌，若在土中沿应变方向埋置具有挠性的筋带材料形成加筋土，则土与筋带材料产生摩擦，使加筋土犹如具有了某种程度的粘着性，从而改良了土的力学特性。当前解释和分析加筋土的强度主要有两种观点，一种把加筋土视为组合材料，即认为加筋土是复合体结构(亦称锚定式结构)，用摩擦原理来解释与分析;另一种把加筋土视为均质的各向异性材料，即认为加筋土是复合材料结构，用莫尔一库仑理论来解释与分析，称为准粘聚力原理。下面由此介绍加筋土的加固机理。2)摩擦原理解释在加筋土结构中，填土自重和荷载等其他外力产生的侧压力作用于面板，通过面板上的筋带连结件将此侧压力传递给筋带，企图将筋带从土中拉出。而筋带材料又被土压住，于是填土与筋带之间的摩擦力阻止筋带被拔出。因此，只要筋带材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。怎样才能使土与筋带互相产生摩擦力而示滑移呢?图1一2表示两个与筋带相接触的土颗粒，在摩擦力和垂直于筋带平面的法向压力作用下，其合力与筋带的法向平面成α角。显然，当α比土颗粒与筋带之间的摩擦角δ小或tanα比颗粒与筋带间的摩擦系数f小时，土颗粒与筋带之间示滑移。这时，颗粒与筋带之间好象直接相连接似的在进行着作用，如图1-3所示。图1一2土颗粒和筋带间的摩擦图1一3土颗粒和筋带的连接状态由于筋带是按一定的间距顺水平方向排列的，所以筋带中的拉力是由其接触的土颗粒传递给没有直接接触的土颗粒。这种力的传递结构目前还在进行研究和探索中，一般可近似地考虑为土拱的作用(如图1-4所示)。这样，筋带之间的土层相当于在两条筋带间填满袋状的土(如图1一5所示)。此时一袋中颗粒的受力可以认为与直接同筋带接触的颗粒受力一样。因此，在满足上述只产生摩擦力而示产生滑移的条件下，筋带改良和提高了砂的力学特性，成为能够支承外力和自重的结构体。图1-4图1-5(二)加筋土挡土墙构造加筋土挡土墙主要是由竖立的墙面板、其后的填料及埋在经辗压密实填料内的具有一定抗拉张度的并与面板相连接的拉筋所组成，如图1-1所示。一、墙面板墙面板的主要作用是防止拉筋间填土从侧向挤出，并保证拉筋、填料、墙面板构成一个具有一定形状的整体。面板应具有足够的张度，保证拉筋端部土体的稳定。目前采用的面板有金属面板、混凝土面板和钢筋混凝土面板。金属面板常用钢板、镀锌钢板、示锈钢板等。通常外形多做成半圆形、半椭圆形，用钢板制作的拉筋焊在其翼缘上。因国内钢材较贵，很少应用金属面板，一般都采用混凝土或钢筋混凝土面板。其形状可用于字形、六角形、矩形、槽形、L形等，具体尺寸可参见表1一1。板边一般应有楔口和小孔，安装时一使楔口相互衔接，并用短钢筋插入小孔，将每块墙面板从上、下、左、右串成整体墙面。墙面板应预留泄水孔。当墙面板后填筑细粒土时，应设置反滤层。表1一1二、拉筋拉筋对于加筋土挡土墙至关重要，应具备有较高抗拉强度，有韧性，变形小，有较好的柔性，与填土间有较大摩阻力，抗腐蚀，便于制作，价格低廉。拉筋从材质上可以分为金属、钢筋混凝土、CAT钢塑复合材料、竹片、聚丙烯土土带、土土格栅等。我国目前有两种拉筋形式:整板式拉筋和串联式拉筋。何个串联块可做成矩形、楔形钢筋混凝土块。它表粗糙，与填料间有较大的摩阻力，加之筋带较宽，故拉筋长度可以缩短，而日造价也低。目前国内加筋土挡墙拉筋一般都根据具体情况选用钢筋混凝土拉筋、复合材料土土带或土土格栅。三、拉筋与面板的连接面板与拉筋之间除了有必需的坚固可靠连接，还应有与拉筋相同的耐腐蚀性能。钢筋混凝土拉筋与墙面板之间，串联式钢筋混凝土拉筋节与节之间的连接，一般应采用焊接。金属薄板拉筋与墙面板之间的连接一般采用在圆孔内插入螺栓连接。对于聚丙烯拉筋与面板的连接，可用拉环，也可以直接穿在面板的预留孔中(如槽形板)。对于埋入土中的接头拉环，都以浸透沥青的玻璃妊布绕裹两层防护。四、填料填料为加筋土挡土墙的主体材料，必须易于填筑和压实，与拉筋之间有可靠的摩阻力，示应对拉筋有腐蚀性。通常，填料应选择有一定级配渗水的砂类土、砾石类土(卵石土、碎石土、砾石土)，随铺设拉筋，逐层压实。条件困难时一，也可采用粘性土或其他土作填料，但必须有相应的土程措施(如防水，压实等)，保证结构的安全。对于泥炭、淤泥、冻结土、盐渍土、垃圾白平土、中一强膨胀上及硅藻土，禁正使用。填料中示应含有大量的有机物。对于采用聚丙烯土土带为拉筋时一，填料中示宜含有两价以上铜、镁、铁离子及氧化钙、碳酸钠、硫化物等化学物质。采用钢带作拉筋，填料的设计参数应由试验和当地经验确定。五、墙面板下基础基础采用混凝土灌注或用浆砌片石砌筑。一般为矩形，高为0.25-0.4元,宽0.3-0.5元。顶面可作一凹槽，以利于安装底层面板。对于土质地基，基础埋深示小于0.5元,还应考虑冻结深度、冲刷深度等。对软弱地基，除作必要处理外，尚应考虑加大基础尺寸。土质斜坡地区，基础示能外露，其趾部到倾斜地面的水平距离应满足要求，见图2-1所示。六、沉降缝与伸缩缝由于加筋土挡土墙地基的沉陷和面板的收缩膨胀引起的结构变形、基础下沉、面板开裂，示但破坏其外观，同时一也影响结构使用年限。为此，在地基情况变化处及墙高变化处，通常何隔10~20元设置沉降缝。伸缩缝和沉降缝可统一考虑，面板在设缝处应设通缝，缝宽2~3(元,缝内宜用沥青麻布或沥青本板填塞，缝的两端常设置对称的半块墙面板。图2-1七、帽石与栏杆加筋土挡土墙顶面，一般设置混凝土或钢筋混凝土帽石。帽石应突出墙面3-5cm,其作用是约束墙面板，同时，也是为保证人身安全设置栏杆所需。栏杆高为1.0-1.5m,栏杆柱埋于帽石中，以保证栏杆的坚固稳定。(三)加筋土挡土墙设计一、加筋土挡土墙设计理论简介现代加筋挡土墙的设计内容主要包括决定加筋材料的种类、长度、横截面形状和间距，以保证加筋墙外部与内部的稳定性。国内外对加筋土的计算通常有两种方法，一种是把加筋土看成由土与筋材两种示同性质的材料组成，两者一通过界面相互影响、相互作用，设计时一把筋、土分开加以计算;另一种是把加筋土看成复合材料(这种复合材料一般为各向异性的)，土与筋材的相互作用表现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而示直接出现在应力应变的计算中。这种方法把加筋土复合体看成一种宏观各向同性复合材料。土与筋材的性质为线弹性，弹性常数分别E1、μ1、E2、μ2，并假设两者一界面之间无相对滑动，推导出复合材料的Eh,Eμ,μh,μμ,Gh,Gμ等6个弹性常数;或者一把加筋土看成宏观均匀的各向异性材料，设加筋土宏观应力σij由素土的σij和筋材的σij两个微观应力组成，假定筋、土间无相对滑动，素土为完全塑性材料且满足Mohr-Coulomb准则，可推导出一个刚塑性的加筋土复合材料模型。在这种思想指导下的算法也有极限平衡法、结构力学或弹性力学解析法、有限元法等。还有一种是采用等效附加应力的方法，基本思路是把加筋土中筋的作用等效成附加应力沿筋的方向加在土骨架上，取加筋土中的土体进行计算。具体地讲，就是在有限元计算中只出现土单元，筋的作用仅当成外力(等效附加应力)加在土单元上，模拟筋材本身的单元并示出现，有限元计算中需要建立布筋方向上等效附加应力与布筋方向上土单元应变之间的关系。用该方法进行有限元计算时，由于单元网格划分中只出现土单元，取消了模拟筋材的单元和筋一土之间的界面单元，所以该方法可以直接利用素土的本构模型，示必针对加筋土复合体建立复合材料的本构模型。这种处理方法减少了单元划分的数目，又免除了复合材料各向异性对试验和计算所造成的种种障碍。通过引入等效附加应力，可以反映加筋土中土骨架与筋材之间、土骨架与土骨架之间的相互作用关系。以上设计理论中一般采用的计算方法有极限平衡法和有限单元法。目前常用的设计理论是第一种方法，即把加筋土看成由土与筋材两种示同性质的材料组成，设计时一把筋、土分开加以计算。这种方法的关键是确定加筋土的破裂面，本节将介绍这种方法。把筋、土分开考虑的设计计算方法中，加筋土挡土墙面板后填料中的破裂面(以下简称破裂面或滑面)的形状和位置是确定筋条截面和长度的重要依据。现行设计理论对滑面的形状和位置的假定主要有以下四种，即直线型、对数螺旋线型、折线型和复合型(图2-2)。图2-2中加筋土挡墙的直线型破裂面假定直接借用了古典的朗金理论，认为破裂面为一通过墙趾与水平面成(45。－φ／2)的平面，此面将加筋土体分为主动土压区和抵抗区(筋条锚固区)两个部分。由于加筋土墙示能满足朗金主动状态的变形条件和边界条件的要求，所以加筋土的实测滑面位置往往远离朗金理论滑面，只是在地形条件和边界条件接近朗金主动状态时一，例如在低矮的纯砂土试验墙中，当墙外施加拉力荷载，人为地造成了朗金变形条件时一，可测得近似朗金滑面的曲线滑面图2-2加筋上设计理论中滑面形状、位置的四种假定a)直线滑而;b)对数螺旋线滑而;(c)折线滑而;d复合型加筋土挡土墙的对数螺旋线滑面的假定，即倾向于把加筋土当作“粘结”重力式挡土墙，土与筋条结合而成复合体，这样当结构发生滑动破坏时一，由于土与筋条的“粘结”示仅仅只是土体的滑动，还有筋条的断裂，其破裂面为一对数螺旋线。试验资料证明加筋土挡土墙的深部存在着对数螺旋滑面,而在墙的上部，常常与这条曲线示相吻合。根据加筋土挡墙的加载破坏试验获得的滑面可分为上下两段，上段竖直，高为h1,距墙背水平距离为b;下段弯曲，高为h2，因为下段曲线接近于朗金理论滑面，故简化为直线。由此得出加筋土墙折线滑面的假定。作为近似的简化计算，一般定为h1=h2=0.5H,b=0.3H。折线滑面的下段1实测值符合得较好，上段竖直线，常与试验值示太吻合.复合型破裂面也把破裂面分为两段，下部CD段为螺旋线，上部}D段为直线，并认为ABC为塑性区，在该塑性区内ABD为压密区，ACD为剪胀区，剪胀区的土体受剪切破坏将向临空面膨胀挤出，这种破裂面的下部与实际吻合较好。这种破裂面的提出有如下假定:假定加筋土的内部条件(墙高、填料性质、筋条材质、粗糙度、长度及加筋密度等)只影响筋条内力的大小而示改变填土中塑性区的形状，同时一假定在塑性区内出现第二破裂面。上述四种滑面形式都是在低矮挡墙和室内模型挡墙试验中，用墙顶加载和拉动墙面的办法造成墙体破坏而取得的结果。实际土程试验中这是示容易产生的，许多试验的破坏试验计划均未能达到预期的破坏效果。二、土压力计算1)作用在加筋土挡土墙墙面板上的水平上压应力σhi为墙后填料和墙顶面活荷载产生的水平土压应力σh1i与σh2i之和，即1.由墙后填料产生的水平土压应力σh1i的计算。《铁路路基支挡结构设计规范》建议用下式计算：当hi≤6m时，Ki=K0(1－hi/6)＋Ka(hi/6)当hi≥6m时，Ki=Ka上述式中：K0-静止土压力系数，K0=1－sinφ0;Ka-主动土压力系数，Ka=tan2(45。－φ0/2);σh1i-填料产生的水平压应力(kPa);hi-墙顶填土距第i层墙面板中心的高度(m);Ki-加筋土挡墙内h;的土压力系数;φ0-填料综合内摩擦角;γ-填料容-=(kN/m3)。2.由墙顶面活荷载产生的水平土压应力σh2i的计算方法有二。①按应力扩展线计算。墙顶面