山区公路加筋格宾挡墙设计研究*

杨文娟 徐慧杰 朱 俊 刘 琦

(1.江西省交通科学研究院 南昌 330200； 2.中交二公局萌兴工程有限公司 西安 710065)

加筋土挡墙是一种新型有效柔性挡土结构，结合新技术和新材料的应用，在工程实践中取得了很好的经济效益而被广泛应用于公路建设。与传统挡土墙相比，加筋土挡墙具有降低工程成本，施工简便等特点[1]。传统的公路边坡加固设计主要考虑是边坡的稳定，追求边坡的强度功效，采用抹面、喷浆、浆砌片石护墙、锚喷护坡等技术保证边坡稳定安全系数。然而随着岩石的风化和防护材料的老化，其效果会日益衰退；同时，石料或混凝土隔断了边坡表面与大地的连接而导致生态系统失衡，以及土壤污染、视觉污染等。

基于上述现状，我国对加筋土挡墙设计理论和力学分析进行了一些开发研究工作。廖红建等[2]提出了基于统一强度理论和等效附加围压理论的加筋土挡墙土压力计算方法，通过实例进行了实测结果与计算结果的对比分析， 验证了作用在加筋土挡墙上的实际总土压力，并建立了三维应力状态下的加筋土挡墙土压力计算公式；徐超等[3]通过筋-土离心模型试验方法采集了数据，并应用FLAC软件对有限填土加筋土挡墙进行了数值分析，深入研究了加筋长度、加筋间距，以及墙面与铅直面的夹角大小对挡墙稳定性及破坏模式的影响；张智超等[4]针对山区斜坡地带修筑公路加筋土挡墙系统，开发了适合我国山区地形特点的微型桩-加筋土挡墙系统；李仲发等[5]研究了格栅加筋陡坡的力学特性，修筑了加筋陡坡的室内模型。

同时，在加筋土挡墙工程实践方面，何光春等[6]结合重庆某滨江路高大加筋土挡墙的现场观测，应用改进的有限元计算方法和强度折减理论对高大加筋土结构的安全性进行评估分析；周亦涛等[7]针对库区公路陡边坡上的加筋土挡墙特殊性、承载力低还有可能发生滑塌等问题，采用新型抗滑桩式加筋土复合挡墙加以解决，在实际工程中应用效果良好。

加筋格宾构件组成见图1。加筋格宾挡墙系统与预制块面板系统和金属面板加筋土系统相比，具有如下独到之处：①格宾网箱面板和加筋网材是无缝连接，避免了筋材和面板连接点易成为结构薄弱环节的不足；②格宾面板具有优良的自排水性能，节省排水设施的费用，还可以规避整个结构崩溃的风险；③格宾面板属于多孔隙结构，具有优良的可植被性，真正做到结构与周围自然环境的和谐统一；④根据工程现场的岩土状况和工程特点，加筋材料可以选择金属网片和土工格栅。

1 加筋格宾挡土墙设计原理

边坡填土在自重或外荷载作用下易变形或倒塌，加筋格宾挡土墙是利用拉筋网面与土的摩擦作用，改善土体变形条件和提高土体抗剪强度。土中沿应变方向埋置筋材，筋土间产生摩擦，加筋土犹如具有了某种程度的黏着性，改良了土的力学特性。其力学原理类似于钢筋混凝土，筋-土相互作用的力学原理见图2。

图2 加筋格宾中筋-土相互作用原理图

2 加筋格宾挡土墙系统组成及技术参数

加筋格宾挡土墙系统由边坡填料、在填料中布置的六边形双绞合钢丝拉筋网面、土工格栅、面墙格宾箱体及箱体填充石料等几部分组成。

2.1 典型断面及地质资料

依托G353国道宜春境内路段，该项目为山岭重丘区二级公路，路线全长12.566 km，设计车速40 km/h，路基宽10 m，路面宽8.5 m。选取的典型断面地质资料见表1。外部荷载为10.5 kPa，不考虑地震荷载，断面示意见图3。

表1 地质参数

图3 路肩式加筋格宾挡墙断面图

2.2 六角形双绞合金属网的长期允许抗拉强度

六角形双绞合金属网的长期允许抗拉强度(60年)，按式(1)计算

(1)

式中：Tc为六角形双绞合金属网的极限抗拉强度；fm为考虑制造工艺误差及大量数据推演的折减系数，本项目取1.04；fd为施工损伤折减系数，本项目取砂性土1.05，碎石土1.165；fc为环境影响折减系数(考虑老化，生物降解，腐蚀等因素)，根据填土pH值，本项目取1.05。

根据欧标EN10223-3 2013第9.3节描述的测试程序，在拉伸实验中得到网面型号为8×10，网面钢丝直径为2.7 mm的双绞合网片，极限抗拉强度的最小值

Tc=50 kN/m

(2)

式中不考虑镀层和PVC外套对网面抗拉强度的贡献。

综上所述，六边形双绞合金属网综合折减系

数及长期允许抗拉强度见表2。

表2 综合折减系数及长期允许抗拉强度

2.3 土工格栅长期允许抗拉强度

格栅长期允许抗拉强度的长期耐久折减系数可根据相关材料测试标准获得，根据美国联邦公路局《加筋土挡墙和边坡设计和施工指南》，土工格栅的长期设计强度通过式(3)得到

Tallow=Tult/RF

RF=RFCR×RFID×RFD

(3)

式中：Tallow为长期设计强度；Tult为极限抗拉强度；RF为折减系数；RFID为施工损伤折减系数；RFCR为蠕变折减系数；RFD为生物化学影响折减系数。

土工格栅各折减系数及长期允许抗拉强度要求见表3。

表3 高韧性聚酯纱线集束格栅100型物理参数

2.4 筋-土相互作用系数

六角形双绞合金属网-土相互作用系数通过抗拔试验确定，对于六角形双绞合网，目前国内尚无可供遵循的试验标准，可以参考土工格栅抗拔试验方法确定。根据国外的相关的研究成果，建议针对不同土质条件选用相应的相互作用系数，见表4。

表4 筋-土相互作用系数

3 设计计算分析

3.1 内部稳定性计算

加筋土结构的内部稳定性包括两部分内容：①单根筋带的抗拉计算，在布置筋材时先根据手算计算结果初步确定筋材的强度及间距；②基于条分法计算原理并考虑筋材作用，计算每个加筋结构块体的内部整体稳定性，并根据计算结果优化筋材布置，如筋材强度、间距、长度等，使筋材的布置更加均衡，此部分计算量繁重，可采用软件进行计算。

内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法，通过软件搜索最不利滑面，这些计算滑面中近似包含了0.3H折线破裂面和朗肯破裂面。

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下。

(4)

式中：ci为第i条块滑动面处的黏聚力，kPa；φi为第i条块滑动面处的内摩擦角，(°)；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，(°)。

采用简化毕肖普法进行内部整体稳定性分析计算繁琐，故采用计算机进行。计算结果及模型见图4。

图4 内部稳定性分析

3.2 外部稳定性计算

加筋土挡土墙的外部稳定性分析中视加筋体为刚体，其分析项目包括：土压力计算、基底滑移验算、倾覆稳定性验算、基础底面地基承载力验算。

土压力计算方法采用库尔曼图解法，它是以库伦理论为基础的一种确定土压力的图解方法。它的基本原理是假定多个不同的破裂滑动面，利用相应的滑动土楔体上力的平衡条件，画出力多边形，求土压力。

基底抗滑稳定系数按式(5)计算。

(5)

式中：∑N为竖向力总和，kN；∑T为水平力总和，kN；μ为基底摩擦系数，μ=tanφf(φf取地基土内摩擦角和结构填土内摩擦角中的较小值)。

抗倾覆稳定系数按式(6)计算

(6)

式中：∑My为稳定力系对加筋体墙趾的力矩，kN·m；∑Mo为倾覆力系对加筋体墙趾的力矩，kN·m。

地基承载力验算主要是计算加筋土所需等效基底压力。σv等效基底压力计算采用梅耶霍夫分布，即当考虑加筋体后填土土压力影响时，用B-2e代替拉筋长度B，假定在B-2e的长度上竖向应力均匀，此时

(7)

(8)

加筋格宾正常工况外部稳定性计算结果及模型见图5。

图5 外部稳定性分析

加筋格宾正常工况外部稳定性计算结果见表5，并可以求出安全系数与规范值对比。

表5 外部稳定性计算结果

3.3 整体稳定性验算

在进行整体稳定性分析时，一般采用简化毕肖普法和简化简布法。毕肖普法仅适用于圆弧滑动面，滑动面形状由于受到夹层或硬层的影响呈非圆弧的形状，则采用简布折线法进行分析。

本项目地基土及墙后填土都较均匀，所以采用的是简化毕肖普法。计算结果及模型见图6。

图6 整体稳定性分析

4 结论

1) 内部稳定性计算结果表明，当滑动面贯穿山坡土体时稳定系数计算值为1.798，当滑动面仅贯穿加筋土填料区时稳定系数计算值为2.048，均大于公路路基设计规范规定值1.25。

2) 外部稳定计算，抗滑稳定安全系数计算值为2.213，大于公路路基设计规范规定值1.3；抗倾覆稳定安全系数计算值为2.721，大于规范规定值1.5；挡墙最大压应力263 kPa，地基承载力宜不小于300 kPa。

3) 采用简化毕肖普法计算整体稳定性，圆弧滑动面的整体安全系数为1.453，大于规范规定值1.25。

4) 通过计算分析，加筋格宾挡墙稳定性满足规范要求。