高填方下加筋土高挡墙实测变形分析

雷胜友，惠会清，高 攀，张 磊

(1.长安大学 a.公路学院;b.理学院;c.建筑工程学院，西安 710064；2.中铁隧道集团有限公司 技术中心,河南 洛阳 471009)

高填方下加筋土高挡墙实测变形分析

雷胜友1a，惠会清1b，高 攀2，张 磊1c

(1.长安大学 a.公路学院;b.理学院;c.建筑工程学院，西安 710064；2.中铁隧道集团有限公司 技术中心,河南 洛阳 471009)

为了揭示位于“V”形沟谷中的某座3级加筋土挡墙的变形规律，在现场实测数据的基础上，重点分析了高填方下3级加筋土高挡墙墙面板位移、墙后填土体沉降、高填方下路面沉降以及挡墙下涵洞底部沉降在施工期间和竣工后的变化情况。结果表明：①加筋土挡墙墙面板的水平位移、竖向位移以及墙后填土体的沉降主要发生在施工期间，且数值都比较大，竣工后1～2 a的时间内，其变形趋于稳定，但总的累积变形较大，说明加筋土挡墙能够适应较大变形的填方工程，这是其优势所在；②在“V”形沟谷中采用高填方下加筋土高挡墙的结构形式能满足路面沉降要求，高填方下的涵洞也是安全的；③由于挡墙筋带的特殊性，使得形成的加筋土挡墙具有锚定板挡墙和土钉墙的某些优点，既能约束墙内土体的变形，又能作为整体很好地同周围“V”形沟谷变形相协调，使得填方内应力重分布，路面沉降变形平缓过渡，未产生明显差异沉降，使用效果良好。这种挡墙结构在山区公路铁路建设中具有广阔的应用前景，值得推广。

墙面板；高填方；加筋土挡墙；“V”形沟谷；钢筋混凝土筋带；现场试验

1 研究背景

某高速公路要通过一处“V”形黄土大冲沟，经综合考虑后在下部设计成3级加筋土挡墙，每级挡墙(含基础)高度为10.5 m，上部填筑成24 m高的缓坡路堤，这样填方体的总高度为54.7 m，这在高速公路的建设上比较少见。对于这种特殊地形中的加筋土挡墙的墙面板位移、墙后填土体的变形在施工期和工程竣工后如何发展变化，以上变形对高填方上的路面层的变形有何影响？高填方下的涵洞能否正常使用，是否会开裂过大？

针对以上问题，笔者根据现场实测资料[1-3]，进一步分析了施工期间和竣工以后墙面板位移和墙后填土变形，并对高填方上路面层和挡墙下方涵洞的沉降量进行了分析和讨论，得到了一些规律性成果，可供生产设计部门参考。

2 高填方下加筋土挡墙变形现场实测

加筋土挡墙所用筋带为钢筋混凝土串联式条带，由4根单元筋带电焊串联而成，每根单元筋带的尺寸为250 cm(长)×20 cm(宽)×6 cm(厚)，如图1所示。

图1 单元筋带示意图Fig.1 Sketch of unit reinforced band

墙面板为钢筋混凝土面板拼装而成，每块面板正面为矩形，反面为槽型，正面尺寸为100 cm(长)×60 cm(高)×10.5 cm(厚)，每级挡墙设17层面板，挡墙基础为0.3 m厚的素混凝土，面板预留钢筋与筋带的外露钢筋焊接。为了便于冲沟排水，沟底设现浇钢筋混凝土拱涵一座，如图2、图3所示。

图2 3级加筋土挡墙横断面Fig.2 Cross section of reinforced earth-retaining wall of three levels

图3 高填方横断面示意图Fig.3 Cross section of the high fill

在每级墙面板的顶部，沿线路方向，均布预埋件作为测量墙面板竖向位移的测点，并打上红油漆，以做醒目标志，从上至下，第1级挡墙面板顶上设7个测点，第2级设7个测点，第3级设9个测点。同理，沿线路方向，在每级墙面板中部的夹缝连接处均匀布设外露钢钩，以作墙面板水平位移测点，第1级墙面板上布设有5个测点，第2级墙面板上布设有7个测点，第3级墙面板上布设有13个测点，在高填方的施工过程中和竣工后，均定期观测墙面板的水平位移、竖向位移和开裂情况。对于墙面水平位移的量测，由于当时工期紧，主要考虑墙面板水平位移差异较小的地方很稳定，没有量测其位移值；而由于担心出现危险情况，将水平位移差异较大的地方作为量测的重点部位，所以出现一些位移曲线不完整的情况。

表1 加筋土挡墙及附属构筑物变形Table 1 Measured deformation values of the reinforced earth retaining wall and auxiliary structures

注：由于竣工后很长一段时间内对沉降进行了处理，故未对其累计最大变形进行统计。

高填方上路面铺设后，沿线路的纵向布设了13个断面，沿横向分左、中、右，共布置了39个测点，定期测量路面的标高。路面上测点的布置及测试结果如图4所示。

图4 路面测点布置及沉降分布Fig.4 Settlements distribution of road surface

在路的中线与涵洞轴线相交的不同位置埋设沉降测杆，观测涵洞顶部及填土的沉降，沉降测杆的编号分别为JS1,JS2,JS3,JS4，其布置情况见图5，定期测量拱涵的洞内外变形、位移以及开裂情况，并对施工期间和竣工后的量测结果进行了汇总,测量结果见图5和表1。

图5 墙后填土体中沉降板埋设标高Fig.5 Height of embedded settlement plates in the earth-fill behind the retaining wall

3 现场试验结果分析

3.1 墙面板的位移及变形特点

3.1.1 竖向位移

加筋土挡墙面板竖向位移变化情况如图6所示。

图6 面板的竖向位移Fig.6 Vertical displacements of wall panels

从图6(a)可以发现，第1级挡墙面板的最大竖向位移值为33 cm，发生在涵洞顶处，相邻沟谷两边位移分别为23,21 cm，相差10 cm多，可见位移量较大。由于“V”形沟底部比较窄，沟谷两侧的约束使得中间部分填土体的沉降比较大。第1级挡墙面板的竖向位移虽然不均匀，但是，随着时间的延续，墙面板竖向位移的不均匀程度大大减小。

对于第2级挡墙面板,如图6(b)所示，由于“V”形沟谷向上比较开阔，最终填土体的沉降趋于平缓，墙面板的竖向位移相差不大，其差值在5 cm以内。由于填土体的拖曳作用，“V”形沟谷两侧土体也向下发生位移，各点差异沉降减少，最终墙面板的竖向位移趋于平缓。

从第3级挡墙面板的竖向位移分布(图6(c))，在1995-10-15—1995-11-20期间，第3级墙面板基本上还是整体下移，在1995-12-30—1996-07-30期间，墙面板的竖向位移呈盆状分布，中间部分的竖向位移大，而两边的小，竖向位移发展很不均匀；在随后的1996-11-05—1997-06-10期间，随着时间的推移，各点的差异沉降在减小，最终，除了中部墙面板的竖向位移值稍大外，其余两边墙面板竖向位移趋于基本相同的值，从而说明加筋土挡墙适用于大变形填方工程，需要说明的是，1996-11-05—1997-06-10量测期间，由于将初值都归0，所以所测值还是能反映第3级面板竖向位移的相对变化情况。

图7 面板的水平向位移Fig.7 Lateral displacements of wall panels

3.1.2 水平向位移

加筋土挡墙面板水平向位移变化情况如图7所示。从图7(a)可以看出，1996-04-18所测得第1级墙面板水平位移基本上都在15 cm左右，随着时间的推移，1996-05-11所测得水平位移变为17 cm，在不到1个月的时间内，墙面板整体向外移动了大约2 cm，在1996-05-21又有较大的位移，位移值达到23 cm，且位移分布不均匀，测点2处的墙面板凹进大约3 cm，在1996-05-30—1996-07-30期间墙面板累积位移量不大，其值稳定在25 cm，到1997-06-10整个墙面的水平位移又有了明显增加，位移值约35 cm，后来的观测表明，最终稳定在该值。

从图7(b)可以看出，1996-05-01所测得第2级墙面板水平位移基本上都在13 cm左右，随着时间的推移，1996-05-11所测得水平位移变为17 cm，在不到1个月的时间内，墙面板整体向外移动了大约4 cm，在1996-05-21—1996-07-30期间，墙面板又有较大的位移发展，且位移发展不均匀，最大水平位移值达到31 cm，但是到了1997-06-10该层面板的水平位移发展趋于均匀，各测点的水平位移差异较小，位移值稳定在34 cm左右，右边7 m测点处的面板有凹陷，后来该部分面板经修复调整，恢复美观。

从图7(c)可以看出，1996-04-18所测得第3级墙面板水平位移发展非常不均匀，基本上在3 cm左右摆动，随着时间的推移，1996-05-01—1996-07-30期间，该级面板的水平位移又有了较大的发展，在2个多月的时间内，墙面板水平位移是不均匀的，测点1—4范围的墙面板向外推移较快，测点4—8范围墙面向外推移慢，经过近1 a的变化，到了1997-06-10，测点4—11范围内的墙面板整体向外移动，位移值大约为18 cm， 测点11—13范围的面板，由于受沟谷周围边界的约束，面板位移受到限制，使得位移量小；而测点1—4范围的面板，由于墙后填土体大的竖向变形，拖曳着墙面板一起位移，所以这部分面板又凹进去不少，后来该部分面板进行局部修复调整。总的来讲，整个第3级挡墙面板还是出现了“鼓肚子现象”，由于第3级挡墙沿线路方向比较长，所以这种现象一般不易觉察，因此整体上看还是比较美观。

总之，从图7可以发现，各级面板的水平向位移随着时间的延长在不断地增加，但最终趋于稳定。由于墙面板与填土体之间没有脱开，那么只有筋带范围以外的路堤填土体在自重和车辆动荷载的共同作用下，不断地调整土颗粒的位置，使得非饱和黄土持续压密沉降，推动加筋部分的复合体向外位移，进而产生了墙面板的水平向位移，且位移值较大，也使得路基顶部不得不进行二次补填压实，以弥补顶部大的土体变形量，从而再一次证明加筋土挡墙结构对于大变形填方工程，其优点更为突出。

3.2 高填方下加筋土挡墙结构及附属设施变形分析

结合图6、图7及表1可知:施工期第1级墙面板的最大竖向位移为33.3 cm,竣工后的最大竖向位移为55.8 cm; 对应的第2级墙面板的最大竖向位移为39.6 cm,竣工后的最大竖向位移为44.4 cm; 第3级面板的最大竖向位移为46.6 cm,竣工后的最大竖向位移为60.6 cm。 在施工期墙面板的竖向位移量约占总量的百分比分别为：第1级墙面板占59.7%，第2级墙面板占89.2%，第3级墙面板占76.9%。相应的在施工期墙面板水平位移最大值分别为第1层面板26.8 cm，第2层面板30.3 cm, 第3层面板16.5 cm，占总位移值的百分比分别为：第1级墙面板占76.6%，第2级墙面板占81.9%，第3级墙面板占78.6%。

另外，通过调查得知，墙面板的最大开裂宽度为0.3 cm，墙面板仅有局部破损，经过修复，已恢复美观。

从表1还可以看出，施工期间，墙后填土体的沉降量分别为：JS1测值为19.6 cm，JS2测值为65.1 cm, JS3测值为68.1 cm,JS4测值为39.8 cm,分别占总沉降量的94.23%，94.89%，93.54%，92.34%。

图8 涵洞底的沉降Fig.8 Settlements of the bottom of culvert

总之，通过以上数据的相对百分比可以看出，无论是墙面板还是墙后填土体，其位移或变形主要发生在施工期，且数值很大，从而再次表明加筋土挡墙在适应大变形方面的优势。

从图4可知，高填方顶部路面弯沉曲线呈锅底状，即在沟谷部分沉降量比较大，沟谷的两边沉降值小，符合高填方沉降的变化规律，本次测得的最大沉降量约为5 cm。仔细分析可知路面左幅、右幅及中线处的沉降量都非常接近，差异沉降极小，不超过2 cm，结合表1中的路面沉降量，可知路面最大累积沉降量为7.6 cm，路面最大外移量为7.6 cm。也说明在“V”形沟谷中采用高填方下的加筋土高挡墙的结构形式能满足路面对沉降的要求。

从图8可以看出，施工结束后,洞底的沉降量随着时间的延长而增加,初期沉降值在2 cm范围内,最后一次所测的值在6 cm左右,涵洞底的沉降值沿轴线皆呈波浪状分布。结合表1中涵洞底部沉降值，可知涵洞底最大的累积沉降量为10.8 cm，且都发生在施工期间，通过调查发现混凝土涵洞最大的裂缝宽度为0.5 cm，随后修补裂缝，其排水功能不受影响，从而说明高填方下的涵洞是安全的。

4 目前加筋土高挡墙使用情况

高填方下的加筋土挡墙自1996年7月竣工以来，一直运营良好, 顶面沉降量不大,墙面板的横向位移很小，符合规范要求，而且经过几场雨季的考验，实践证明该工程是成功的，其科研成果在2002年通过了山西省科委组织的鉴定，被评为国内领先水平。笔者还多次进行了该工程的回访和现场考察，发现仅有个别面板微量外鼓，挡墙内的填料体经过近20 a的沉降，基本趋于稳定，表明该挡墙是稳定的。通过与施工、设计、科研单位人员的座谈，发现若采用桥梁结构，需修建120 m的大桥，工程造价约为850万元，而采用高填方下的加筋土挡墙结构，土方就近移挖作填，工程造价约300万元。而且修建桥梁施工场地狭窄，施工难度大，周期长，而采用加筋土挡墙填土路基，施工方便，占地少，同时避免挖方路段余土外弃。

从使用效果看，该路段路基稳定，后期沉降量仅为路基填土总高度的0.1%，由于加筋土挡墙所用的筋带为钢筋混凝串联块，具有很大的抗拉、抗压强度，还具有一定的抗弯强度，不同于通常的土工合成材料[4-6]，使得形成的加筋土挡墙具有锚定板挡墙和土钉墙的某些优点，既能约束墙内土体的变形，又能作为整体很好地同周围“V”形沟谷变形相协调。又由于“V”形沟谷的作用，使得填方内应力重分布，路面沉降变形平缓过渡，未产生明显差异沉降，使用效果良好，由此可见，在山区公路建设中，采用高填方下的加筋土结构跨越黄土冲沟，不仅技术上可行，而且经济合理。在我国土地资源缺乏，耕地面积日益减少的情况下，节约土地成为今后基本方针，而加筋土挡墙恰好具有占地少的优点。综上所述可以看出:加筋土挡墙结构在公路铁路、民航机场的建设中具有广阔的应用前景，值得推广。

5 结 论

(1) 本文研究的3级加筋土墙墙面板的竖向位移和水平向位移、墙后填土体的沉降主要发生在施工期间，且数值较大，竣工后1～2 a的时间内，其变形趋于稳定，说明加筋土挡墙能够适应较大变形的填方工程，这是其优势所在。

(2) 在“V”形沟谷中采用高填方下加筋土高挡墙的结构形式能满足路面沉降要求，高填方下的涵洞也是安全的。

(3) 由于挡墙筋带的特殊性，使得形成的加筋土挡墙具有锚定板挡墙和土钉墙的某些优点，既能约束墙内土体的变形，又能作为整体很好地同周围“V”形沟谷变形相协调，使得填方内土体应力重分布，路面沉降变形平缓过渡，未产生明显差异沉降，使用效果良好，节省了大量投资。这种挡墙结构在山区公路铁路建设中具有广阔的应用前景，值得推广。

[1] 长安大学.太原东山过境高速公路加筋土高挡墙现场试验研究[R].西安:长安大学,2002.

[2] 雷胜友.V形沟谷钢筋混凝土加筋土挡墙的强度特性分析[J].重庆交通学院学报,2001, 20(1):65-68.

[3] 雷胜友.双面加筋土高挡墙的离心模型试验[J].岩石力学与工程学报，2005, 24(3):417-423.

[4] 王 贺.静动荷载作用下高速铁路土工格栅加筋土挡墙结构行为研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[5] 杨广庆,刘华北,吴连海,等. 台阶宽度对加筋土挡墙垂直应力的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2016,35(1)：209-216.

[6] 张世暖，蔡晓光.地震作用下双级加筋土挡墙的动力响应研究[J].长江科学院院报，2017,34(1)：129-134.

(编辑：陈 敏)

Analysis of In-situ Measured Deformation of Reinforced HighEarth-retaining Wall with High Fill

LEI Sheng-you1, HUI Hui-qing2, GAO Pan3, ZHANG Lei4

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.School of Science, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 3.Technology Center of China Railway Tunnel Group Co. Ltd., Luoyang 471009, China; 4.School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to reveal the deformation law of a three-level reinforced earth retaining wall in a V-shapedvalley,according to in-situ test data, we analyzed the changes in wall panel displacement, settlement of backfill of the wall, settlement of road surface on high fill, and settlement of the bottom of culvert beneath the wall in construction period and after completion. Results revealed that the vertical and horizontal displacements of wall panels, and the deformations of the backfill mainly occurred during the construction period, and the values of displacements and deformations were relatively large. One or two years after the completion, the deformation tended to be stable, but the total cumulative deformation was large, which indicated that the reinforced earth retaining wall could adapt to the large deformation of filling projects, which is an advantage. Moreover, the structure of reinforced high earth retaining wall beneath high fill in V-shaped valley could meet the challenges posed by road surface settlement, and the culvert beneath high fill is safe. Besides, since the reinforcements of the wall are reinforced concretes, the reinforced earth wall has some advantages of anchoring board retaining wall and soil nailing wall, which could restrain the deformation of soil mass in the wall, and also serves as a whole to coordinate the deformation of V-shaped valley. Hence the stresses in the fill are redistributed, road surface settlement and deformation are transited smoothly with no significant settlement difference and good application effect.

wall panel; high fill; reinforced earth retaining wall; V-shaped valley; reinforced concrete reinforcement; in-situ test

2016-05-30；

2016-10-29

陕西省自然科学基金项目(2001C01)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目(GZ2005-03)；陕西省交通科技项目(06-01K)；长安大学精品课建设项目(2006)

雷胜友(1965-)，男，陕西澄城人，教授， 博士，从事加筋土强度、高速铁路地基处理和岩石力学研究，(电话)13609243853(电子信箱)rongrong11085310@sina.com。

10.11988/ckyyb.20161021

TU443

A

1001-5485(2017)02-0084-05

2017,34(2):84-88,93