加筋格宾挡墙在山区公路填方路基中的应用

杨文江

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

随着我国经济建设的不断发展，公路网在不断延伸，山区公路在整个公路网中的比重也日益增加。受山区复杂的地形条件限制，山区公路中填方路基多数处于斜坡地段，路基稳定性差。为确保山区公路填方路基的长期稳定，工程中常通过设置挡土墙进行填方边坡收坡和支挡。工程中常见的挡土墙结构均为浆砌片石、钢筋混凝土等刚性材料组成，其在以往工程中确保路基的长期稳定发挥了重要作用，但其抗变形能力差、地基承载力要求高、墙后土体积水不易及时排出等缺点也造成诸多工程失效的案例。加筋格宾挡墙通过将加筋土与格宾挡墙的结合，在确保山区公路填方路基长期稳定的同时，克服了传统刚性挡土墙抗变形能力差、墙后土体积水不易排水等缺点，并可实现墙体植物绿化，保护工程施工点的生物多样性，弱化了工程建设对环境的不良影响，符合“绿色公路”建设理念。

加筋格宾挡墙与传统的挡土墙结构相比，具有以下优势：

a）基础承载力要求低 加筋格宾挡墙通过土体加筋提高挡墙稳定性的同时，降低挡墙自身重度，从而使挡墙基础的承载力要求降低。

b）地基变形适应性强 能适应地基土的不均匀变形，无需设沉降缝，还可通过筋带加强整个结构的相互作用来提高结构的整体性。

c）实现墙面快速排水 面墙填石的多孔隙结构可在暴雨工况迅速降低路基土的孔隙水压力，保持土体强度，避免由于墙后土体排水不畅而导致整个结构崩溃的风险。

d）绿色生态优势明显 加筋格宾面墙设计为台阶式，可在台阶上放置种植土工包促进植被生长，做到结构与周围自然环境的和谐统一，同时多孔性的结构特性也为项目沿线小型动物提供了栖息场所，保护了生物多样性，实现了“绿色公路”的建设目标。

e）经济性 与重力式挡墙相比，可节省圬工数量95%～97%，造价较浆砌石挡墙和钢筋混凝土挡墙减小10%～60%以上。

加筋格宾挡墙主要由格宾墙面和加筋土两部分组成。格宾墙面是由经耐腐处理的六边形双绞合钢丝网片组合成蜂巢网箱后填入洁净的抗风化片、块石或卵石组成一种新型的挡土结构。由于格宾挡墙单级配的大孔隙特点和钢丝网片的侧向约束，使得格宾挡墙既具备了传统干砌挡墙的透水性和生态性的优点，又克服了传统干砌挡墙变形过大的不足。单纯的格宾挡墙由于其主要依靠钢丝铰接和片块石机械咬合的摩阻力抵抗土体变形，因而支挡能力有限，若墙后土压力较大则造成格宾挡墙的体积过大。通过对墙后一定范围内的填土进行加筋处理，则可使墙后土体与格宾挡墙共同受力起到支挡效果，同时弥补了普通加筋挡土墙筋材易暴露于大气环境下的缺陷。

本文将通过某高速公路加筋格宾挡墙设计实例论述加筋格宾挡墙的设计及施工。

1 工程实例

1.1 工程概况

某高速公路K85+547—K85+907段填方路基，路基右侧边坡高度为9～10 m，距离路基左侧顶边缘线6 m处为一新建地方旅游公路，旅游公路右侧为村庄。该段路基地质为表层0.5～0.8 m厚种植土，下伏15～20 m厚Q4卵石土层。表层种植土层地基承载力为60 kPa，Q4砂卵石层地基承载力为200 kPa。项目工点地震加速度值为0.15g，地震设防烈度为7度。项目工点最大冻深为0.8 m。路基填料为砂土，压实后容重为 19 kN/m3，饱和容重为20.8 kN/m3，压实后土体的内摩擦角φ=30°，黏聚力C=10 kPa。

该段填方路基若按正常边坡放坡则边坡放坡距离为13.5～15.5 m，侵占了现有旅游公路，且旅游公路右侧为村庄不具备改线条件。因此通过设置挡墙进行边坡收坡。

1.2 设计方案比选

挡墙如采用传统重力式浆砌片石或片石混凝土挡墙，墙高需按11.5 m考虑，地基承载力要求为300 kPa以上，需进行地基处理，且高速公路右侧为旅游公路与村庄，长大距离的圬工工程对旅游公路的景观产生较差的视觉效果，因此考虑采用加筋格宾挡墙进行该段路基边坡的收坡。

1.3 方案设计

以最大坡高10 m为典型断面进行设计，考虑表层种植土厚度为0.5～0.8 m，最大冻深为0.8 m，挡墙埋深按1 m考虑。因此以墙高11 m进行挡墙设计。挡墙面坡坡率自路基顶以下6 m范围内边坡坡率为1∶0.5，以下部分边坡坡率为1∶0.3。并考虑挡墙格宾挡墙宽度不进入路基顶宽度范围内，实际放坡宽度为5.2 m，可确保路基边坡不侵占旅游公路界限。具体如图1示意。

图1 格宾加筋挡墙典型断面图（单位：m）

格宾挡墙每个蜂巢网箱结构尺寸为高1 m×宽0.8 m×长3 m，格宾网内延长度为3 m。格宾网型号网孔8 cm×10 cm，网面钢丝直径为2.7 mm的双绞合网片。格宾网极限抗拉强度最小值为50 kN/m。

土工格栅路基顶以下6 m范围设土工格栅长度为5 m，下部5 m范围土工格栅长度为8 m。土工格栅布设于每层格宾挡墙的顶部和底部并与格宾挡墙内延格宾网片有效连接。土工格栅材料要求见表1。

表1 土工格栅指标要求值

2 结构计算

2.1 结构计算原理

加筋格宾挡墙尽管墙面采用了格宾挡墙面板，但由于格宾挡墙支挡作用在整个加筋格宾挡墙的作用体系中所占比例较小，因此，加筋格宾挡墙的结构计算仍然是以加筋土挡墙结构计算为主，不计格宾挡墙的支挡贡献。

由此，加筋格宾挡墙结构计算包括挡墙内部结构强度计算和挡墙外部稳定性计算两部分内容。其中，挡墙内部结构强度计算又包括单根筋带的抗拉计算和每个加筋结构块体的内部整体稳定性计算；挡墙外部稳定性计算则是视加筋格宾挡墙为一整体结构，按传统挡墙结构进行墙后土压力计算、挡墙基底滑移验算、挡墙倾覆稳定性验算和基础底面地基承载力验算。

2.1.1 单根筋带抗拉强度的确定

加筋格宾第i层筋材所受到的水平拉力Ti等于该层筋材分配的格宾挡墙背部侧向土压力与筋材间距之积，即

式中：σhi为由填土自重产生的侧向土压力、墙顶永久荷载产生的侧向土压力和车辆荷载及其他可变荷载引起的侧向土压力组成的格宾墙背土压力的总和，kPa；Sh、Sv为 筋材的水平、垂直间距，m。

筋材强度条件应符合式（2）、式（3）的要求。

式中：Tu为筋材极限抗拉强度，kN/m；Ta为筋材的允许抗拉强度，kN/m；Td为筋材的设计抗拉强度，kN/m；FSID、FSCR、FSBC、FS 为施工损伤安全系数 1.1、材料蠕变折减系数1.38、材料老化折减系数1.03、结构整体安全系数1.3。

2.1.2 墙体内部稳定性的计算

墙体内部稳定性的计算目前较为常见的有两种方法。

a）方法一 以单根筋带的抗拔稳定性计算为着手点，通过单根筋带抗拔力与筋带水平拉力之间的安全系数设计进行挡墙内部稳定性计算。

第i层筋材的锚固抗拔力根据挡墙破裂面意外筋材有效长度与筋材上下界面处土工摩擦系数确定。公式见式（4）。

式中：Tpi为筋材锚固抗拔力，kN；σvi为筋材所在位置由墙后填土及墙顶永久荷载产生的垂直压应力，kPa；a为筋材水平间距宽，m；Lei为筋材有效加固长度，m；f为筋材与填土之间的摩擦系数，本项目取值0.8。

b）方法二 采用简化毕肖普法，通过计算机软件搜索最不利滑面，计算滑面以上土体整体抗滑力矩与下滑力矩的平衡。

安全系数为抗滑力矩与下滑力矩间的比值：

加筋单元在截断滑动面的区域内可增加坡体的稳定性，破裂面穿过筋带时，将伸入滑弧后面的筋带长度产生的摩阻力、滑弧前面筋带长度所产生的摩阻力和筋带的抗拉强度三者的小值对滑弧圆心取矩，视为稳定力矩。

考虑加筋单元作用的安全系数如式（6）：

式中：ci、φi为第i条块滑动面处的黏聚力和内摩擦角；bi为第i条块滑动面处的弧长，m；Wi为第i条块自重及其荷载重，kN；αi为第i条块滑动弧的法线与竖直线的夹角，（°）；Pj为穿过破裂面的第j道筋带的抗拔力，kN；θj为穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线的夹角，（°）。

方法二在进行内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法时计算繁琐，需采用计算机进行。但其计算精度高，软件搜索滑面中已将现行规范规定的0.3H滑裂面包含在内，计算数据更可靠。因此本文计算以方法二为计算手段。

2.1.3 挡墙内部计算结果

挡墙内部计算结果见图2。

图2 格宾挡墙计算结果图示

由图2可知，将挡墙按上、下两部分分别计算安全系数分别为1.663和1.928，满足规范要求。

2.2 外部稳定性计算

挡墙外部稳定计算方法时，视加筋格宾挡墙为一整体结构，计算挡墙墙背土压力后，按传统挡墙计算方法进行挡墙的基底承载力、抗倾覆、抗滑移计算，具体计算方法本文不再赘述，计算结果见表2。

表2 格宾挡墙计算结果列表

暴雨工况下，土体的内摩擦角φ=24°，黏聚力C=8 kPa，抗滑稳定安全系数为3.282，大于规范要求值1.3；抗倾覆稳定安全系数为8.433，大于规范要求值1.3。由于本项目所处地区地震动峰值为0.15g，地震烈度为7度，因此不考虑地震工况。

由此可见，加筋格宾挡墙抗滑移、抗倾覆稳定系数均满足规范要求值，挡墙地基承载力要求值为191 kPa，小于墙底地基承载力200 kPa。

3 加筋格宾挡墙的施工

基于加筋格宾挡墙的结构受力分析可知，加筋格宾挡墙的核心是加筋土体和格宾墙面，因此加筋格宾挡墙施工时需重点控制土体加筋和格宾墙面的施工质量。

加筋格宾挡墙施工时，必须保证挡墙中格宾网和加筋筋材的材料质量。格宾网必须采用经耐磨耐低温防腐处理的钢丝网片。为保证格宾网箱在施工过程中不变形，并与墙后土工筋带连接强度，加筋格宾网面抗拉强度不得低于50 kN/m，翻边强度35 kN/m。格宾网内填石可采用卵石、片石或块石，要求石料质地坚硬，遇水不易崩解、抗风化，石料强度等级MU30以上，密度大于2.5 t/m3，石料填充空隙率不大于30%。加筋格宾面墙填石粒径以100～300 mm为宜，靠墙面30 cm范围内采取干砌的方式。格宾墙墙背需设施一层渗水土工布，以防止墙背淤积阻水[2]。

加筋体施工时，加筋材料必须经过相关检验部门进行质量检测，满足设计技术要求方可进场，进场后需遮阳、防水保存，且不宜存放时间过长[3]。加筋体范围内填土宜采用砂土，不得采用腐殖土、淤泥等。加筋体铺设时，杜绝对筋材进行压折。铺设完成覆土时，需松铺30 cm厚度以后再进行碾压。

4 经济性比较

若该段挡墙采用M7.5浆砌片石挡墙，墙高按11 m计算，每延米挡墙圬工量为32.5 m3。按山西省发布的2018年4期太原市的材料单价信息并考虑运距，每延米工程造价为393元/m3，M7.5浆砌片石挡墙每延米造价为12 772.5元。

加筋格宾挡墙每延米片石数量为8.8 m3，每延米格宾网数量为44 m2，土工格栅为114 m2，渗水土工布14 m2。

表3 格宾挡墙每延米造价组成表

由此可见，同样高度加筋格宾挡墙每延米工程造价较浆砌片石挡墙节省7 406.1元，节约造价58%。

5 结语

综上所述，加筋格宾挡墙为山区公路建设过程中遇到的复杂地形条件下的路基处理提供了一种新型的支挡思路，其在融合普通加筋土挡墙和干砌挡墙优点的同时，弥补了传统圬工挡墙的不足，是一种值得推广和进一步研究其力学行为的支挡结构。