柔性绿色格宾挡墙在市政工程中的应用

2022-09-23马瑶，马奔，陆鹏

城市道桥与防洪 2022年9期

马瑶，马奔，陆鹏

（西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068）

0 引言

绿色加筋格宾挡墙是一种柔性加筋挡土墙，是由一系列绿色加筋格宾单元连接而成，单个结构单元主要由六边形钢丝网面、焊接金属网、金属三角支架、金属支撑杆、生物垫等部件组合而成[1]。由于其良好的经济性、耐久性、整体性、生态环保性[2]被广泛的应用于公路、铁路、水利等工程中，但于市政工程中较少应用。本文通过分析研究，提出目前规范及相关研究中存在的一些不足，给出计算步骤，并通过算例分析其合理性。同时针对市政工程管沟工程较多的特点，提出其适应的施工工艺。

1 目前存在的不足

1.1 面板分类不全

传统加筋土挡土墙墙面面板可采用金属面板、钢筋混凝土面板或混凝土面板，其强度等级不宜低于C20，厚度不应小于80 mm[3]；墙面宜采用钢筋混凝土预制件[4]。规范中规定的面板均为刚性面板，而挡墙设计计算方式与面板有密切关系，当无面板且加筋坡面与水平面夹角小于70°时按加筋土路堤设计[5]；有面板及无面板但夹角大于70°时按加筋土挡土墙设计[4]。

本文中提及的绿色加筋格宾挡墙，其面板由焊接金属网、三角支架及支撑杆体系组成，既不属于刚性面板，但也不同于反包土工合成材料路堤加筋形式[5]，本次按柔性面板加筋土挡土墙设计。

1.2 破裂面论述

公路行业中，对于刚性面板加筋土挡土墙简化破裂面目前为0.3 H破裂面[4]，如图1所示，上部平行于墙面，距离墙面的距离bH为0.3 H，下部通过坡脚，与水平面的夹角为45°+φ/2-α/3。

图1 0.3 H破裂面

由于加筋土挡墙实际破裂面不仅与面板刚度、筋材抗拉模量、筋材延伸率有关，还与填料类型、加荷方式、施工工艺、筋材长度、填土高度等均有关系，无法一概而论。而对于柔性面板加筋土挡墙的破裂面，由于其柔性更大，破裂面更趋向于朗肯破裂面，其简化破裂面如图2所示，破裂面与水平面的夹角为45°+φ/2，筋材加长时，破裂面有远离坡面趋势，但不会无限远离。本文采用朗肯破裂面计算其内部稳定性。

图2 朗肯破裂面

2 设计计算

设计计算包括内部稳定性及外部稳定性的验算；加筋土挡墙最为关键的为筋材长度及间距确定。本文提出基于柔性面板的筋材计算长度及间距的方法，同时进行筋材抗拉强度验算及整体稳定性验算，而抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、地基承载力、地基沉降计算与重力式挡墙计算机理相同，本文不再论述。

2.1 筋材长度计算

筋材长度包括活动区长度Lei及锚固区长度Lai，Lei根据朗肯破裂面得到，Lai根据式（1）得到：

式中：Tpi为永久荷载作用下，Zi层深度处，筋材有效锚固长度所提供的抗拔力，kN/m；fGS为筋土界面阻力系数；σi为永久荷载引起的竖向土压力，kPa；σi=γ（Zi+h1），h1为加筋体上坡面填土换算等代均布土层厚度，m。

而所需抗拔力Tpi由式（2）、（3）确定：

式中：Ti为Zi层深度处筋材所承受的水平拉力设计值，kN/m；σEi为加筋体深度处作用于墙面上的水平土压力应力，kPa；Δh1为第i层筋材的加筋间距，m。

需满足抗拉强度验算，即式（4）、式（5）

式中：γc为结构性系数；γf为筋材抗拉性能分项系数；Ta为筋材设计抗拉强度，kN/m；τult为筋材极限抗拉强度；RF为总折减系数；RFCR为蠕变折减系数；RFD为老化折减系数；RFID为施工损伤折减系数。

2.2 水平土压力计算

朗肯破裂面对应的水平土压力系数Ki如图3所示，计算公式见式（6），σEi计算见式（7）。

图3 水平土压力系数分布系数

式中：φ为加筋填料综合内摩擦角，（°）；σfi为车辆荷载、人群荷载作用下加筋体内深度处Zi的竖向压应力，kPa（计算详见参考文献[3]）。

2.3 整体稳定性验算

计算模型见图4，其中滑动圆弧圆心及半径经试算得来，圆心一般位于边坡顶点D的西北象限内，若滑动面位于筋材范围，还需考虑筋材抗拔力，计算公式见式（8）。

图4 整体稳定性计算模型

式中：ci为第i条土条黏聚力，kPa；xi为第i条土弧长，m；wi为第i条土重力，kN；βi为第i条土条滑动弧的法线与竖直线的夹角，（°）；φi为第i条土条滑动面处的内摩擦角，（°）；pj为穿过破裂面的第j层筋带的抗拔力，由破裂面以外锚固区范围内筋材长度所产生的摩阻力提供，为穿过破裂面的第j道筋带与圆弧切线的夹角，（°）。

3 工程实例

西安市临潼区秦汉大道市政工程西起西禹高速，东至秦兵马俑景区，为城市主干路，同时也是一条文化旅游景观大道。绿色加筋格宾挡墙设置于陇海铁路—108国道段南北两侧辅道及人行道外侧，全长411 m，墙高3~9.5 m，挡墙墙面坡比为1∶0.466，面墙倾角65°，墙顶外侧土路肩设置人行栏杆以保证行人安全。挡墙横断面布置如图5所示。

图5 挡墙横断面布置图

算例选用9.5 m挡墙进行计算，筋材间距0.73 m，填料采用黄土，其容重γ=19 kN/m3，综合内摩擦角φ=30°，修正后地基承载力特征值fa=180 kPa，τult=150 kPa，RF=1.6，fGS=0.4，荷载组合选用组合Ⅱ，筋材共13层，由基底起至路面标高分别为1至13层。车辆荷载取值12 kN/m2，人群荷载取值3 kN/m2，基底摩擦系数取0.4。

由公式（1）至（7）计算可得其内部稳定性如表1所示。

表1 内部稳定性计算表

挡墙的整体稳定性采用理正设计软件试算，当筋材长度取6 m时，Ks=1.193＜1.25，圆弧滑动半径为11.677 m，不满足整体稳定性要求。当筋材长度取7 m时，Ks=1.278＞1.25，圆弧滑动半径为11.963 m，圆心基于边坡顶点D坐标为（-3.922，0.527）,本次按筋材长度7 m布设。

同时，按筋材长度7 m计算，抗滑稳定性方程的计算结果为207＞0，Kc=2.6＞1.3；抗倾覆稳定方程的计算结果为3595＞0，Kc=10.93＞1.5；地基承载力的计算结果为σ=130.5 kPa＜180 kPa；均满足规范要求。本例计算结果筋材长度选用7 m。关于计算结果的几点讨论：

一是根据内部稳定性计算，所需筋材长度为变值，1层筋材最短，13层最长。

二是筋材所需最长仅2.7 m时即可满足内部稳定性计算，远小于整体稳定性验算所需7 m长度。

三是即便墙后填料取综合内摩擦角15°时，由计算得到其筋材最长长度为4.023 m，也小于整体稳定性验算所需长度。

四是柔性面板加筋土挡墙计算主要控制指标为整体稳定性，且较长的筋材长度也可有效控制挡墙的侧向稳定位移，同时筋材长度还需满足规范中关于构造的要求。

4 市政工程中施工构造措施

4.1 与管沟结合的施工工艺

秦汉大道市政工程设置的绿色加筋格宾挡墙，在筋材范围内有一道电力排管，混凝土包封，外尺寸为1.5×1.55 m，位于边坡顶点D 1.75 m处，埋深0.9 m。该电力排管位于锚固区，影响11、12层筋材，如图6所示。若挡墙与电力排管同步施工，由于排管距离挡墙面板较近，填料压实度难以控制，无法保证其施工质量，影响挡墙安全。

图6 挡墙横断面布置图（单位：m）

本文提出反挖沟槽的施工工艺，先将填料施工至13层筋材高度，然后开挖沟槽至排管设计底标高，开挖过程中需剪断筋材，并尽量较少扰动。排管施工时将筋材浇筑于混凝土中，注意筋材应尽量平整，以保证与混凝土之间的抗拔力，使筋材与排管成为统一整体。施工时应分段进行，减少筋材剪断未浇筑的时间。该方法可保证填料压实度，减少电力排管对挡墙的影响，并使之成为挡墙整体的一部分。经实践证明，该方法操作简单，行之有效。