绿色加筋格宾挡墙现场试验研究

刘泽，杨果林，申超，徐健楠

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

传统边坡设计时主要考虑的是如何保证边坡的稳定性，采用抹面、喷浆、浆砌片石护墙、锚注等护坡技术来提高边坡的安全系数。随着人们对工程建设的环境保护、生态恢复与景观营造等生态因素的重视，

边坡的生态功能和稳定性已具有同等重要的意义，生态型的护坡技术[1]受到人们越来越多的关注。绿色加筋格宾挡墙是由意大利Maccaferri公司在加筋格宾挡墙基础上开发的一种集加筋与生态绿化于一体的新型支挡技术。挡墙以经镀锌(铬)并覆塑的双绞合六边形钢丝网为筋材，将筋材反包形成面墙，墙面坡角一般为65°或70°，并在面墙网面后加配钢筋网板和三角支架以增加面墙刚度。面墙钢丝网和钢筋网板间铺有椰棕植生垫，施工时采用人工植入枝条或喷播藤曼草种，稍加养护后即可快速形成坡面绿化，实现结构与周围自然环境的和谐统一。绿色加筋格宾单元一般采用工厂化生产，在施工现场只需简单装配即可填筑施工。绿色加筋格宾挡墙的基本元素是双绞合六边形钢丝网，这种筋材料具有耐腐蚀、无蠕变、筋孔面积比小、与填料间的咬合嵌固作用强等优点，美、意、法、泰等国开展了大量的研究。Lo等采用不同的填料对双绞合六边形钢丝网进行拉伸、拉拔、直剪等试验，研究了双绞合六边形钢丝网的加筋机理、筋土界面特性以及抗拔力的计算方法[2-5]。Bergado等[6]以双绞合六边形钢丝网为筋材，以曼谷地区的粉砂为填料，通过室内外试验研究了加筋路堤的作用机理；Bergado等[7]以室内拉拔试验与直剪试验为基础，考虑加筋体刚度、回填土性质、筋土界面作用、地基性质等影响因素，利用SAGE CRISP程序模拟足尺加筋试验挡墙，提出平面应变条件下软土地基上双绞合六边形钢丝网加筋粉砂路堤的作用机理与计算方法。在实际工程中，已建成许多绿色加筋格宾挡墙，如意大利埃莫拉 F1汽车赛道采用绿色加筋格宾挡墙有效地解决新旧路面不均匀沉降问题，该挡墙长170 m，最大高度达10.80 m；南非菲尼克斯山区公路采用绿色加筋格宾挡墙方案不仅解决山区公路沉降变形问题，而且节约工程造价15%。2000年泰国国王宫殿旁山体因水库渗水出现滑坡，采用绿色加筋格宾挡墙处治后不仅保证了山坡的稳定性，而且营造出与宫殿相协调的优美环境；2007年，KwaZulu-Natal海岸防护工程也采用绿色加筋格宾挡墙方案[8]。双绞合六边形钢丝网筋材及相关结构在国内的应用还比较少，杨果林等对其开展一系列的室内模型试验[9-11]。现场试验是最好的足尺试验，不仅没有室内模型试验的相似性问题，也无需考虑边界影响，能够反映加筋土结构的真实工作性态。国内外的专家都非常重视现场试验研究，如杨广庆等[12-14]等开展了加筋土挡墙的现场试验。但这些研究主要集中在混凝土浇注式或模块式面墙的土工格栅加筋土挡墙上。而针对绿色加筋格宾挡墙的现场试验在国内外均未见报道。在此，本文作者以浙江绍兴—诸暨高速公路(即绍诸高速公路)K38+398断面为试验工点，对绿色加筋格宾挡墙进行现场试验研究。

1 工程概况与试验方案

绍诸高速公路K38＋325～K38＋485段位于经济发达的诸暨市枫桥镇内，左侧为受构造影响严重、岩体裂隙发育的山坡，右侧紧临交通繁忙的绍大线(浙江绍兴—大唐，S31)。为提高路基的稳定性，减少耕地占用和节约工程造价，营造优美的公路景观，采用绿色加筋格宾挡墙方案。挡墙所用筋材的规格及力学性能见表1。

现场试验选择里程为K138+398断面进行研究。该断面墙高10.63 m，设计有13层层高为0.76 m的绿色加筋格宾单元，墙面坡比为1:0.466，断面设计及测试元器件的埋设位置见图1，测试内容和相应的元器件见表2。由于双绞合六边形钢丝网的筋肋为折线形，柔性位移计在安装时应先根据标定长度在筋材网面上选取位于同一直线上的2股钢丝作为安装位置，给柔性位移计设定1个初始位移后将其安装基座固定在钢丝上，如图2所示。

现场试验从施工之初就开始。挡墙施工进展较快，不到2月即完成。图3所示为施工进程图。挡墙施工结束后，测试工作还在进行，一直延续到道路的正常营运。

图1 监测元件布置图Fig. 1 Arrangement of instrument on section

图2 柔性位移计的安装Fig.2 Installation of flexible displacement meter

图3 施工进程图Fig.3 Construction process

表1 筋材的力学参数Table 1 Mechanics parameters of reinforcement

表2 试验内容与元器件Table 2 List of test items and corresponding components

2 测试结果与分析

2.1 基底不同方向的土压力

挡墙开始填筑前，预先在距墙趾1 m处的基底埋设了3个受力面不同朝向的土压力盒：1个受力面向上，测量竖向土压力；另一竖直放置，测量水平土压力；还有 1个土压力盒的受力面与水平面呈45°，测量挡墙内沿45°方向的土压力。3个方向的土压力测量结果如图4所示。

从图4可以看到：挡墙刚开始填瓷时，竖向土压力迅速增大，其数值为填料容重与上覆填土厚度的乘积；水平土压力和 45°方向的土压力很小。随挡墙高度增加，水平土压力和 45°方向的土压力增加很快；当墙高达到一定高度后，后 2个方向的土压力迅速增大，甚至比竖向土压力还大。挡墙填筑完成后，3个方向土压力的关系是：水平土压力＞45°方向土压力＞竖向土压力。可见：在绿色加筋格宾挡墙填筑过程中，墙趾附近基底土体的应力状态出现了主轴偏转现象，施工完成后最大主应力的方向不是竖向而是水平方向。

图4 基底土压力的变化Fig.4 Change of earth pressure in base

加筋土挡墙通常被认为是一种柔性支挡结构，对地基的适应性强，地基承载力要求不高，因而对基底土压力的研究不多，仅有的研究也主要是针对竖向土压力，对水平土压力和 45°方向的土压力基本上没有考虑。试验研究[15]和有限元分析结果[16]都表明：加筋土挡墙作用在基底的竖向土压力呈非线性分布，在墙趾下最小，随着距面板距离增加，竖向土压力逐渐增大，在距面墙 1/3L(L为加筋体宽度)处达到最大值。本文的绿色加筋格宾挡墙也可以看作1个加筋陡坡。边坡稳定性研究表明[17-18]：边坡的潜在滑裂面可能会穿过基底的表层，然后在坡脚前方溢出，坡脚后方的土体会受到较大的水平推力，致使坡脚前方的土体可能出现向上隆起的现象，试验结果与理论研究有一致性。因此，进行绿色加筋格宾挡墙设计时，不仅要考虑以竖向土压力校核基底的承载力，还应考虑水平向土压力的作用。

2.2 墙内竖向土压力

图5所示为墙内竖向土压力随挡墙高度和时间的变化曲线。从图5(a)可以看到：第2层筋材处的竖向土压力随填土高度的增加而增大；当填筑高度H＜2.28 m时，在筋长方向上竖向土压力基本上均匀分布。挡墙高度增加带来的竖向土压力增长在各测点处基本同步，小幅度波动的主要原因在于施工时采用挖掘机摊铺填料，挖掘机履带对填料的碾压不够均匀；当填筑高度H＞2.28 m时，竖向土压力沿筋长方向分布的非线性特征越来越明显，曲线呈先增后减再增的波浪形，特别是靠近面墙侧的竖向土压力增幅很小。这主要是由于挡墙具有一定的坡度(65°)，产生卸荷作用，使得面墙附近位置的竖向土压力增长缓慢；随着距面墙距离的增加，竖向土压力迅速增大，曲线上升并在距墙面1.8 m处达到最大值后开始减小，但在筋材末端又略有增大。

图5(b)和图5(c)所示分别为第6层和第10层筋材处的竖向土压力变化曲线。通过分析可知：这2层筋材处的竖向土压力在筋长方向上也为非线性分布；受面墙坡度的影响，墙面附近的竖向土压力增加缓慢，随着距面墙距离的增加竖向土压力迅速增大。与第 2层筋材处的竖向土压力分布规模式不同的是：第6层和第10层筋材处的竖向土压力沿筋长方向呈双峰形，第1个峰值位于筋长1.8 m处，第2个峰值位于筋长4.4 m处，而前者在筋长4.4 m处出现不是波峰而是波谷。

竖向土压力的非线性分布是受多种因素影响的结果。加筋区的竖向土压力主要来自2个方面：一是上覆填土的重力，二是非加筋区侧向土压力产生的倾覆力矩，二者的综合作用会使加筋区的竖向压力呈梯形分布[13]：靠面板墙侧的竖向压力大，筋材末端的竖向压力小。但由于绿色加筋格宾挡墙的墙面具有一定的坡比，产生了卸荷作用；同时由筋材和钢筋网板构成的面墙刚度较小，面墙在侧向土压力作用下会产生一定的变形，引起应力释放，使得靠近面墙侧的竖向土压力减小，这就造成加筋区的竖向土压力在筋长方向上呈“两端小、中间大”的分布形态。另外，竖向土压力还受到平面网状筋材的膜效应、粗颗粒填料拱效应的影响，因此，墙内不同高度竖向土压力的实测分布形式有一定差异，但总体上都是两端小、中间大。这种规律不同于常用的竖向土压力分布模式(均匀分布、梯形分布和梅氏分布)，而竖向土压力的分布模式直接影响到筋材抗拉与抗拔安全系数计算。因此，有必要对绿色加筋格宾挡墙的竖向土压力计算模式进行深入研究。

图5还给出了3层筋材处竖向土压力随时间的变化曲线。由于挡墙施工很快，天气较好时1 d填筑1层，所以，施工期内的竖向土压力增长很快。施工结束后，随着填料中多余水分逐渐被排出和筋土间应力应变的自我调整，3层筋材处的竖向土压力都出现略减小的现象。随时间进一步延长，各位置的竖向土压力基本稳定。

2.3 面墙后的水平土压力

图6所示为面墙后水平土压力随填土高度增加的变化曲线。从图6可以看到：面墙后水平土压力随挡墙高度的增加先是快速增加，当上覆填土达到一定高度后又出现小幅度减小。结合现场施工情况可分析其原因。由于挡墙施工进度快，上覆荷载的快速增加造成面墙后的水平土压力也迅速增大；但受大型碾压设备工作范围的影响，面墙附近的填料只能采用小型夯机振动压实，压实度要比其他地方的小；随着挡墙填筑高度增加和时间延长，面墙附近的填料在上覆土压力的作用下逐渐被压实，面墙逐渐产生侧向变形，带来一定的卸荷作用，使得面墙后的水平土压力小幅度减小。

图7所示为挡墙施工结束后，面墙后水平土压力沿墙高的分布曲线。从图7可见：面墙后的水平土压力沿墙高呈鼓胀式分布，最大值出现1/3H处(H为墙高)；面墙后侧向土压力比较小，远小于朗肯土压力和库仑土压力，比其他形式的加筋土挡墙面墙后实测水平土压力也要小。因此，绿色加筋格宾挡墙的设计不能简单套用现有的各种土压力理论。

图5 墙内竖向土压力随墙高和时间的变化Fig.5 Development of vertical earth pressure with wall height and time

2.4 筋材的拉应变

图8所示为第2，4，5，8和10层筋材的拉应变随挡墙高度增加的变化曲线。分析图8可知：各层筋材的拉应变在筋长方向上都呈非线性分布；除第4层外，各层筋材的拉应变都是在面墙附近最大，沿筋长方向由外向里逐渐减小，在筋材的后部又略有增大。这种模式与常规加筋土挡墙筋带拉应变先增加后减小的分布规律是不同的。这主要是由于绿色加筋格宾单

元采用反包结构，对侧向鼓胀变形的填料形成一个网兜；随着挡墙高度增加，面墙后的水平土压力增大，面墙侧筋材的“网兜”效应也越明显。从而，筋材的拉应变越靠近面墙越大。

图6 面墙后水平土压力随墙高的发展变化Fig.6 Development of lateral earth pressure with wall height

图7 施工结束后水平土压力沿墙高的分布曲线Fig.7 Distribution of lateral earth pressure along wall height

图8 筋材拉应变随填土高度增加的变化曲线图Fig.8 Distribution of reinforcement strain with wall height

从图8还可以看到：同一层筋材的拉应变分布模式在挡墙高度增加时基本不变，拉应变曲线簇的大部分位置都重合在一起，仅在靠近面墙的部分长度内各条曲线的差值比较明显，且由外向内这种差值很快减小，这表明因挡墙高度增加而增大的筋带拉力影响范围不是很大。这主要是由于双绞合六边形钢丝网与填料间有着良好的咬合、摩擦作用[9]，将由面墙传递的土压力迅速转移到填料内部。对比位于挡墙不同高度处筋材的拉应变分布曲线可知：挡墙上部筋材的拉应变要比下部筋材的拉应变小，最大拉应变小于 2%。由此可知：挡墙的设计是合理的。

第4层筋材的拉应变分布规律明显与其他筋材的拉应变分布规律不同，最大拉应变出现在距面墙1.8 m处，在筋长方向上呈波浪形，而且波动幅度较大。产生该现象的原因主要是：第1～3层填料采用原地面开挖出来的黏性土填筑，填料颗粒细而且均匀；当填筑到第4层时，考虑到优质黏性土不多，且设计要求靠近墙面1 m范围内必须以黏性土为填料以保证墙面植被的正常生长。施工方担心黏性土不够，于是，以附近隧道开挖所形成的碎矸石为填料，颗粒粗且颗径差别大，一些超大粒径(最大值达60 cm)的块石料也被混进来。若这种超大粒径填料刚好被放置在柔性位移计的周围，必然会对测量值造成很大的影响。加筋土挡墙施工时，应当对填料的粒径进行严格控制，否则可能对筋材造成严重损伤。

试验时在第12层筋材上也布置有柔性位移计。由于导线连接的问题，部分柔性位移计没有读数，以致没能获得这一层筋材的拉应变分布规律。

2.5 加筋体的变形

为测量加筋体的侧向变形，试验时在第1，3，5，7和9层填土内埋设了水平土应变计。土应变计的一端与墙面钢丝网相连，另一端用卡板和水泥锚固在墙后未开挖的土体或未加筋的填料内。

图9所示为各层加筋体侧向变形随时间的变化曲线。从图9可以看到：各层加筋体的侧向变形主要产生于上部直接层填料的填筑期间。在施工现场也可以明显看到：当上部直接层填料被碾压时，下层加筋体有明显的侧向位移，格宾单元的钢网面板中部出现明显的鼓胀变形；当挡墙高度继续增加时，已填筑加筋体的侧向变形增长较小，有时还可能略有减小；挡墙施工完成后，变形也基本稳定。可见，挡墙的变形主要产生于施工期，挡墙变形控制的关键时期也就是施工期。

图10所示为施工完成后加筋体侧向变形沿墙高的分布曲线。挡墙的侧向变形呈鼓胀形，最大侧向变形发生在1/3H处。与图7相对照可知：图10和图7两图非常相似，最大侧向变形发生位置也正是面墙后侧向土压力最大的位置。

图9 加筋体侧向变形随时间的变化Fig.9 Lateral deformation development of reinforced body

3 结论

(1) 绿色加筋格宾挡墙在填筑过程中，墙趾附近基底土体的应力状态存在主轴偏转现象。施工结束后，距墙趾1 m处基底土体的最大主应力为水平土压力而非竖向土压力。

(2) 绿色加筋格宾挡墙墙内竖向土压力沿筋长方向呈非线性分布，在挡墙下部为单峰形而在挡墙上部为双峰形。由于墙面倾角的卸荷作用，绿色加筋格宾挡墙墙面附近的竖向土压力较小。

(3) 绿色加筋格宾挡墙的筋材拉应变在筋长方向上呈非线性分布，总体上是在面墙侧最大，沿筋长方向由外向里逐渐减小，在筋材末端又略有增大。

(4) 绿色加筋格宾挡墙面墙后的水平土压力在施工期呈先增大后减小，沿挡墙高度方向也呈非线性分布，最大水平土压力的位置在1/3H处。面墙后的水平土压力远小于理论主动土压力，也小于传统面板加筋土挡墙面墙后的水平土压力。

(5) 绿色加筋格挡墙的加筋体水平变形主要产生于直接上覆填料层的填筑期。加筋体侧向变形沿挡墙高度呈鼓胀形，最大值发生在1/3H处。

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