加筋土挡墙稳定性控制的重要措施

杨凤伟 王剑锋

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 概述

加筋土挡墙是一种相对新型的挡土结构，主要由筋材、土体、墙面板、基础等组成(见图1)。与重力式挡墙相比，这种挡墙具有结构轻、节约材料、工程造价低、抗震性能好及适应较低的地基承载力等多种优点，因而在铁路、公路建设中得到了广泛使用[1]。虽然加筋土挡墙在我国诸多工程中已有应用，如果设计、施工不合理，容易造成挡墙水平或竖向变形过大，甚至出现破坏的状况。因此，本文从筋材选择与设计、填料选择与压实、墙面板设计三个方面论述确保挡墙稳定性的重要措施，旨在为广大工程技术人员设计安全稳定、造价合理的加筋土挡墙提供参考。

2 稳定性控制内容

加筋土挡墙的稳定性包括内部稳定性和外部稳定性，稳定性控制就是控制其不会发生任何一种形式的破坏。其中内部稳定性破坏形式包括筋材抗拉破坏、抗拔破坏等；外部稳定性破坏包括挡墙抗滑移破坏、挡墙抗倾覆破坏、地基承载力不足和软土地基的整体圆弧滑动等。其中筋材的抗拉破坏关键取决于筋材的抗拉强度与土压力大小，挡墙填土深度越大，土压力也就越大。筋材强度与筋材类型、制作方法等有关。筋材的抗拔力取决于筋材与土体之间的摩擦系数、竖向应力、筋材长度等。加筋土挡墙的外部破坏形式与重力式挡墙相同，将整个加筋土看做整体，验算其稳定性(外部稳定性验算分析如图2所示)。通常情况下，若筋材的内部稳定性满足要求，挡墙发生滑动失稳和倾覆失稳的可能性较小。

3 稳定性控制措施

3.1 筋材选择与设计

加筋土挡墙主要依靠筋材与填土之间的摩阻力，并承受结构内部的拉力，填土约束筋材避免其拔出，筋材前端连接墙面板，来实现与墙面板上所受的土压力相平衡，进而达到整体结构的平衡稳定，因此，筋材的选择与设计对加筋土挡墙的稳定性至关重要。

3.1.1筋材选择

加筋土挡墙的筋材须具有以下几个特征：

1)具有较强的抗拉能力和较小的延伸率，以确保筋材在受到较大拉力时不会发生断裂或变形过大；2)具有较高的界面摩擦力，确保筋材不会发生拔出破坏；3)具有良好的耐腐蚀性，通常情况下聚合物材料的筋材耐腐性较好。多种材料可用作加筋土挡墙的筋材，包括钢带、钢筋混凝土带、聚丙烯土工带、钢塑复合带、土工格栅、土工布等，这些材料各有优缺点。

钢带和钢筋混凝土带均具有较强的抗拉能力和低延伸率特性，一般的钢带表面比较光滑，与填土之间的摩阻力较小，为了增大摩阻力，可在钢带表面每隔一定距离设置凸起，能够明显增大其抗拔能力，从而加强挡土墙的稳定性。钢筋混凝土带是沿钢筋长度方向上，每隔一定距离设置一梯形或矩形的混凝土板，增大与填土之间的摩阻力，进而增加了挡土墙的稳定性。钢带和钢筋混凝土带都面临着锈蚀问题，可在表面涂抹防锈剂以增大其抗锈蚀能力。

聚丙烯土工带是一种良好的筋材，该材料来源丰富，生产工艺简单、成本较低，最近20余年内，在我国加筋土挡墙中使用广泛。据文献[2]报道在已建成的加筋土工程中80%以上均采用土工带,在我国公路加筋土工程中95%以上的工程均使用土工带。为了提高聚丙烯土工带的抗拉能力和控制其延伸率，在聚丙烯土工带内部加入钢丝形成钢塑复合带，提高了土工带性能，增加了挡墙的稳定性。

另外，聚丙烯土工带具有良好的耐腐蚀性，土体中的温湿度、含氧量、微生物和化学物质等对聚丙烯土工带一般影响较小，但聚丙烯土工带的抗老化能力，特别是紫外线对其的影响较大，因此在使用过程中应特别注意，可以从原材料和添加剂两个方面减缓其老化，实现其增强挡墙的稳定性。

土工格栅是一种非常理想的筋材，其网孔与粗颗粒土能够相互咬合，除了与土体之间的摩阻力外，还有较好的咬合力，因此与土体之间的摩擦性能良好，对挡土墙的稳定性较好。土工布作为加筋材料埋置于土体中，增加土体的抗拉和抗变形能力，很好的提高挡土墙结构的稳定性。

3.1.2筋材设置

筋材的设置包括筋材的间距和长度，如果使用土工带，其间距包括水平间距和竖向间距，两者可做成相同的，水平间距和竖向间距一般为0.3 m～0.6 m之间，具体控制在筋材不会发生抗拉和抗拔破坏，每根筋材上受到的拉力为：

Ti=Kiσvisxsy

(1)

其中，Ki为第i根筋材处的土压力系数；σvi为第i根筋材处的竖向应力,kPa；sx,sy分别为水平向和竖直向筋材的布置间距,m;若挡墙为反包式(全铺式，筋材选用土工格栅或土工布)，sx=1.0。对于水平间距和竖向间距，一般宜控制在0.2 m～1.0 m之间，若间距过小，容易给填土碾压带来不便，间距过大，单根筋材上受到的拉力较大，也使得墙面板高度较大，搬运与砌筑不便。

墙后填土产生的水平土压力可根据郎肯土压力计算；我国TB 10025—2019铁路路基支挡结构设计规范中建议采用式(2)，式(3)计算：

当hi<6 m：Ki=K0(1-hi/6)+Kahi/6

(2)

当hi≥6m：Ki=Ka

(3)

其中，K0为静止土压力系数；Ka为朗肯土压力系数。

筋材的长度控制关键是确保其不会发生拔出破坏，每根筋材的抗拔承载力可用式(4)计算：

T=σviLbf

(4)

其中，L为土工带的有效长度(锚固长度)；b为土工带的宽度；f为土工带与填料之间的摩擦系数。

综上，筋材的设置满足抗拔极限承载力要求，使筋材不会发生抗拉和抗拔破坏，从而提高了挡墙的稳定性。

3.1.3提高筋材抗拔承载力的措施

筋材抗拔能力决定着其内部稳定性，有的筋材如土工带与土体间的摩擦性能不太理想，这时可以通过某些措施增加土工带的抗拔承载力，如将土工带末端统一固定在一纵向杆件上，能够增加筋材的整体稳定性；用U形钉将杆件固定在填土里，也会增加筋材的抗拔能力；此外提高填土压实度，增加填土粒径，采用土工格栅等均会增加筋材的抗拔承载力。

3.2 填料选择与压实

填料是加筋土挡墙的主体材料，填料的选择基于以下几个原则：

1)良好的透水性、易压实；2)与筋材之间具有良好的摩擦性能；3)满足一定的化学和电化学标准[3]；4)易溶盐、硫化物和有机质不应超过限定值。较为理想的填料宜选择粗颗粒土，包括碎石、砾石、砂土等，这些填料透水性强，毛细上升高度小，具有较大的内摩擦系数，强度和水稳定性均好。砂土粘结性较小，易于松散，压实困难，但充分压实的砂土，压缩性小，稳定性好，可以采用振动法压实。粉性土含有较多的粉土颗粒，毛细作用强烈，毛细上升高度大，在季节性冻土地区容易造成冻胀灾害，单独作为填料不佳，可以掺加适量砂土、砾石混合使用。粘性土细颗粒含量多，土的内摩擦角较小，与筋材之间的摩擦性能较差，透水性小而吸水能力强，毛细现象显著，有较大的可塑性，一般情况下不宜采用粘性土作为填料，如果受土体来源限制，在粘土内可掺入一些粗颗粒土体。此外，带有棱角的碎石也不宜作为填料。填料需满足一定的压实度，密实的填料能够增大与筋材之间的摩擦性能，提高挡墙的稳定性。

3.3 墙面板设计

墙面板的主要控制作用是防止端部土体从拉筋间挤出。加筋土挡墙墙面板通常由钢筋混凝土制成，其强度可按均布荷载(水平土压力)作用下的简支梁计算，根据此法计算仅混凝土强度即可满足要求。但为了防止墙面板发生裂缝，要求墙面板必须满足最小的配筋率ρmin=0.2%[4]。墙面板可根据实际工程需求，设计成多种形状，如十字形、矩形、六角形、半圆形等，随着人们对环境和艺术要求的提高，一些新型美观的墙面板也有望在将来出现。因此，优化墙面板的设计可以提高挡墙的稳定性。

4 结语

加筋土挡墙的稳定是设计和施工的关键，通过筋材选择与设计、填料选择与压实、墙面板设计等稳定性控制，既保证了加筋土挡墙的外部稳定，又使整个复合结构内部稳定，为工程设计和施工提供了理论参考。