加筋土挡墙研究现状及其在电力行业中的应用

（国网福建省电力有限公司经济技术研究院 福建福州350013）

0 引言

我国采用加筋土技术的历史久远［1］，古时人们修筑墙体与房屋时，就已在土体内部掺入稻杆等材料提高墙体的稳定性与耐久性。我国第1座加筋土挡墙储煤仓于1979年建设完成，自1991年开始，颁布了加筋土技术相关规范，极大地推动了我国加筋土技术的应用与发展。土工复合材料已被广泛运用到交通、市政、民建等领域的边坡支护工程中。相较于传统的钢筋混凝土挡墙，加筋土挡墙具有造价低、施工方便、工期短等优点。在电力行业中，变电站主要采用传统浆砌片石与钢筋混凝土挡墙进行边坡支护，已有部分变电工程采用加筋土挡墙，但数量相对较少。

国内外已有诸多学者针对加筋土挡墙的相关课题进行研究，本文对加筋土挡墙的加固机理、破坏形式等研究展开综述，并结合变电站工程的特点，简述加筋土挡墙在变电工程中的应用。

1 加筋材料

随着近年来材料合成技术的发展，新型加筋材料层出不穷，种类日趋丰富，加筋结构材料主要可分为土工织物、土工拉筋带、土工格栅等。

土工织物是将丝材、纱材按有序或无序的方式排列连接而成，具有重量轻、整体连续性好、抗拉强度高等优点，广泛应用于隔离、过滤和水土保持等方面。土工拉筋带是采用挤压、上涂料等工艺制成，具有拉力大、寿命长、施工便捷等特性，广泛应用于公路路基、码头护岸等工程。土工格栅是以聚丙烯等其它高分子聚合物为原料，经热熔、挤出拉伸等工艺生产而成，是一种具有较高强度的平面网状材料。

2 加筋土加固机理简述

解释加筋土加固机理的理论较多［2-3］，主要可分为摩擦加筋原理、准粘聚力原理、均质等代材料原理以及等效围压原理等。目前采用较多的理论为摩擦加筋原理与准粘聚力原理。

2.1 摩擦加筋原理

加筋土挡墙中筋材呈水平条状铺设，选取一段微元体dl进行受力分析（如图1所示）。边坡在受自重或坡顶荷载作用时，坡顶靠山侧会产生潜在弧形破裂面，上部土体沿弧形破裂面产生向临空侧位移的趋势。假设此时微元体左侧受到向左拉力T1，向右拉力T2，所受土体的合压力为N，摩擦系数为f。筋土所受合拉力dT=T1-T2，摩擦合力F=Nf，若F≥dT则筋土的摩擦阻力克服了筋土相对位移，从而使微元体保持稳定。摩擦加筋原理认为加筋土挡墙中的筋材产生拉力与筋土摩擦力相平衡，筋土摩擦阻力能够有效阻止破裂面发展与填筑过程中的土体滑移，提高了边坡的安全系数。

2.2 准粘聚力原理

经典瑞典条分法计算简图如图2所示，定义安全系数为抗滑力矩与滑动力矩的比值，基于圆弧滑动面假定推导可得边坡稳定安全系数表达式（公式1）。根据其稳定安全系数表达式可看出，在土条划分方式、重度不变的情况下，土体的抗剪强度越大，则边坡安全系数K越大。

可通过三轴压缩实验获得加筋土与原土体的抗剪强度特性［3］。通过试验结果可知加筋土与原土的内摩擦角值近乎相等，粘聚力较原土增大了△c。加筋材料的抗拉、抗剪强度远大于土体，与土体结合形成非均质的整体结构抵抗外部荷载共同抵抗变形。准粘聚力原理认为，筋材敷设于土体中使原土体的粘聚力提高了“粘聚力△c”，此粘聚力并非土体本身自带，而是由于加筋土附带的，因此称之为“准粘聚力”。土体的抗剪强度提升，在边坡稳定性分析中提高了边坡抗滑力与抗滑力矩，进而显著增强了边坡的稳定性。

3 加筋土挡墙主要破坏形式

加筋土挡墙的破坏形式［4］主要包括外部稳定性破坏与内部稳定性破坏，笔者对加筋土挡墙破坏形式与成因等进行综述。

3.1 外部稳定性破坏

加筋土挡墙的外部稳定性破坏可类比传统钢筋混凝土刚性挡墙。筋材敷设后，可将边坡加筋区域整体视为刚性结构体。在加筋土挡墙施工阶段与正常使用状态时，可能会产生外部稳定性破坏，外部稳定性破坏具体表现为：整体倾覆破坏、地基破坏、加筋土平移滑动以及挡墙整体滑动破坏。

挡墙较高、基础较深且筋材铺设长度不足时，加筋土体将绕坡脚产生转动位移导致倾覆破坏；筋材能够较好地抵抗边坡填筑时产生的水平侧移，但基本无法抵抗竖向不均匀沉降，加筋土挡墙局部承载力不足时，坡底面会产生不均匀沉降导致地基基础破坏；地基与加筋体底部摩擦力和粘聚力不足时会产生平面滑动破坏；加筋土边坡下埋软弱下卧层或基础埋深不足时，在加筋土自重和坡顶荷载作用下，会产生挡墙整体滑动破坏。

3.2 内部稳定性破坏

除外部稳定性破坏外，加筋土挡墙还会产生内部稳定性破坏。内部破坏形式主要包括：筋材拉断、筋材拔出以及挡墙面板结构破坏。

筋材拉断的主要原因大致为3种：①选用筋材抗拉强度不满足要求，筋材承受拉力大于或等于本身承载能力；②未充分考虑土体中的腐蚀物质等，筋材经腐蚀承载能力下降导致无法继续承载；③筋材的蠕变强度不足，长期敷设于土中导致其抗剪强度降低，不再满足承载要求。

筋材被拔出的主要原因大致为2种：①填土未充分碾压密实度不足，筋土未充分接触导致筋材与填土体之间摩擦阻力不足，筋材未能充分发挥其作用；②筋材敷设长度过短，填方施工时产生水平侧移使筋材整体拔出土体。

挡墙面板结构破坏主要包含3种形式：①挡墙面板外倾变形主要发生在整体式挡墙面板中，最大水平位移一般出现在挡墙顶部；②挡墙面板采用预制混凝土面板时会产生局部外凸，其最大水平位移一般出现在挡墙中部附近；③由于挡墙刚度不足引起挡墙无法承受边坡土压力，产生了整体向临空侧移动。

4 加筋土挡墙的设计与稳定性研究现状

目前针对加筋土挡墙设计与稳定性验算的研究较多，笔者首先简述加筋土挡墙的设计与验算流程，然后针对加筋土挡墙设计与稳定性研究进行综述。

4.1 加筋土挡墙设计流程

首先应确定加筋土挡墙的工程条件，包括几何特征、荷载条件、稳定性要求以及变形标准；确定岩土参数，主要包含地基土与加筋土设计参数；确定加筋土挡墙基础埋置深度与筋材最小长度；进行外部稳定性分析，主要包含墙体背部土压力计算、抗滑稳定性验算、抗倾覆稳定性验算等；进行内部稳定性分析，包含墙面背部侧向土压力系数分析、潜在破裂面形状分析、荷载作用时的稳定性分析等；变形估算；墙面板设计；排水系统设计。

4.2 研究现状

近年来，已有诸多学者针对加筋土挡墙设计与加筋土挡墙边坡稳定性进行了深入研究。

石安宁［5］分别采用中国、美国以及英国规范对加筋土挡墙进行设计验算，通过土压力、筋材强度、抗拔稳定性以及水平抗滑移稳定性对比，为加筋土挡墙设计与验算提供建议。刘华北等［6］分别采用主动土压力理论、K刚度法、极限平衡方法以及E-M法对加筋土挡墙的内力进行计算，分析总结了各方法计算的优劣性。针对加筋土挡墙设计，目前采用较多的方法为将传统理论分析与敏感性分析相结合，对加筋土挡墙中的重要设计参数进行优化。

边坡稳定性问题是工程界的热点问题，常用的研究方法主要包含理论解析、数值模拟以及模型试验等。

在理论解析方面，传统条分法无法考虑加筋作用，马学宁等［7］基于瑞典条分法与简布法的假设条件，重新推导了考虑加筋作用的两种安全系数计算公式。杨长卫等［8］基于水平条分法与弹性波动理论建立了平衡微分方程，通过希尔伯特变换提出了加筋土挡墙的地震时频分析法，研究了地震时加筋土挡墙的稳定性问题。

模型试验是采用较多的研究手段，诸多学者采用相似定律，建立缩尺模型进行试验研究。陈建峰等［9］进行了4种不同墙趾约束条件下的离心模型试验，发现模块式加筋土挡墙墙趾约束条件对内部稳定性影响显著。介玉新等［10］针对多级加筋土边坡进行了离心试验，研究发现由于筋材的约束作用能够明显提升边坡的稳定性，且最下平台位置相对隆起趋势有所减弱。

近年来，随着计算机技术的不断发展，数值分析软件层出不穷，数值模拟方法已成为了一种主流的研究手段。

陈建峰等［11］利用Flac3D数值模拟软件建立了模块化加筋土挡墙模型，模拟了加筋土挡墙施工全过程，研究模块化加筋土挡墙的筋材应变、墙面相对水平位移等变化规律。朱湘等［12］利用有限元数值分析软件对加筋土路堤进行数值模拟，利用有限元法研究了路堤施工参数软土层厚度、地基强度以及施工速度等对加筋效果的影响。

在边坡稳定性方面，众多学者采用理论解析、数值模拟以及实验分析等方法进行研究，可获得加筋土挡墙边坡的位移、内力、滑动面等特征规律，为边坡工程设计、施工等提供建议。

5 加筋土挡墙在电力行业的应用

加筋土挡墙技术已广泛应用于市政、交通等领域，但在变电工程中的应用与研究仍然相对较少。变电工程是国家重要的基建工程，近年来城市内部变电工程已趋于完善，电力建设已逐渐向偏远山区转移。

5.1 变电工程特点

相较于市政、交通等领域，变电工程边坡、挡墙具有其特殊性：变电站场地分区明确紧凑，征地范围有限，通常无法形成大放坡情况；站区周边边坡、挡墙与变电站内构支架、设备、建构筑物基础间距小；边坡挡墙一般需要依靠既有坡体地形修建。

目前，变电站场区周边采用较多的为传统的重力式、衡重式、悬臂式等形式的挡墙，常用材料为浆砌片石与钢筋混凝土。随着场区内外高差的增大，挡土墙截面也需相应增大，采用传统挡土墙难免造成工程体量大、经济性差以及施工进度缓慢等缺点。结合变电站工程挡墙与现有加筋土挡墙的工程特点，考虑可采用土工格栅式加筋土挡墙。土工格栅属柔性支护结构，能将应力均匀分布于各个方向。在正常使用阶段，土工格栅挡墙具有良好的蠕变强度，能够很好地保持边坡稳定性，且相较于土工织物类加筋材料具有更较好的耐摩性，且通常造价较低。

5.2 加筋土挡墙在变电站工程的应用

目前，土工格栅式加筋土挡墙已在变电站工程中获得应用，并取得较好的效果。

黄满华［13］以广东某变电站为例，通过计算分析可知土工格栅比放坡、卸荷板挡土墙、桩板墙等更具优势。付诗禧［14］采用准粘聚力原理简述了土工格栅的作用机理，并详细描述了加筋土挡墙边坡基底的要求、变电工程中加筋土挡墙的施工流程与工艺等，为加筋土挡墙在变电工程中的应用打下基础。武萍等［15］在工程设计中引入新型的生态式土工格栅挡土墙，在经济、技术方面与不同类型的挡土墙进行对比，发现加筋土挡墙基础处理简单、造价明显低于传统挡土墙，进一步验证了土工格栅加筋土挡墙的优越性。

加筋技术的发展为其在变电工程中的应用创造了可能。在变电工程中，采用加筋土挡墙应当充分考虑场地、技术、经济等因素：充分考虑当地的地形地貌、地质条件，做到“因地制宜”；在设计阶段，充分掌握筋材的设计强度、蠕变强度等材料特性，正确选择加筋材料；在施工阶段，应严格控制填土质量、密实度等工程指标，确保工程质量；在经济方面，保证安全的条件下针对加筋土挡墙进行选型与优化，充分体现加筋土挡墙的经济优越性。

6 结论

本文介绍了常见加筋材料种类、加固机理以及加筋土挡墙的破坏形式，针对加筋土挡墙的设计与稳定性研究展开综述。

结合变电站工程与加筋土挡墙工程特性，认为采用土工格栅式加筋土挡墙能够较好地适用于变电工程建设，且土工格栅已在变电站工程中获得运用且具有初步成效。目前，针对加筋土挡墙在变电工程的研究仍相对较少。中国地域广袤且各地区岩土地质情况各有差异，应当充分结合我国各地域的地质特点，设计、建造出符合当地区域特点的加筋土挡墙。