加筋土擋墻穩定性控制的重要措施

楊鳳偉 王劍鋒

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 概述

加筋土擋墻是一種相對新型的擋土結構，主要由筋材、土體、墻面板、基礎等組成(見圖1)。與重力式擋墻相比，這種擋墻具有結構輕、節約材料、工程造價低、抗震性能好及適應較低的地基承載力等多種優點，因而在鐵路、公路建設中得到了廣泛使用[1]。雖然加筋土擋墻在我國諸多工程中已有應用，如果設計、施工不合理，容易造成擋墻水平或豎向變形過大，甚至出現破壞的狀況。因此，本文從筋材選擇與設計、填料選擇與壓實、墻面板設計三個方面論述確保擋墻穩定性的重要措施，旨在為廣大工程技術人員設計安全穩定、造價合理的加筋土擋墻提供參考。

2 穩定性控制內容

加筋土擋墻的穩定性包括內部穩定性和外部穩定性，穩定性控制就是控制其不會發生任何一種形式的破壞。其中內部穩定性破壞形式包括筋材抗拉破壞、抗拔破壞等；外部穩定性破壞包括擋墻抗滑移破壞、擋墻抗傾覆破壞、地基承載力不足和軟土地基的整體圓弧滑動等。其中筋材的抗拉破壞關鍵取決于筋材的抗拉強度與土壓力大小，擋墻填土深度越大，土壓力也就越大。筋材強度與筋材類型、制作方法等有關。筋材的抗拔力取決于筋材與土體之間的摩擦系數、豎向應力、筋材長度等。加筋土擋墻的外部破壞形式與重力式擋墻相同，將整個加筋土看做整體，驗算其穩定性(外部穩定性驗算分析如圖2所示)。通常情況下，若筋材的內部穩定性滿足要求，擋墻發生滑動失穩和傾覆失穩的可能性較小。

3 穩定性控制措施

3.1 筋材選擇與設計

加筋土擋墻主要依靠筋材與填土之間的摩阻力，并承受結構內部的拉力，填土約束筋材避免其拔出，筋材前端連接墻面板，來實現與墻面板上所受的土壓力相平衡，進而達到整體結構的平衡穩定，因此，筋材的選擇與設計對加筋土擋墻的穩定性至關重要。

3.1.1筋材選擇

加筋土擋墻的筋材須具有以下幾個特征：

1)具有較強的抗拉能力和較小的延伸率，以確保筋材在受到較大拉力時不會發生斷裂或變形過大；2)具有較高的界面摩擦力，確保筋材不會發生拔出破壞；3)具有良好的耐腐蝕性，通常情況下聚合物材料的筋材耐腐性較好。多種材料可用作加筋土擋墻的筋材，包括鋼帶、鋼筋混凝土帶、聚丙烯土工帶、鋼塑復合帶、土工格柵、土工布等，這些材料各有優缺點。

鋼帶和鋼筋混凝土帶均具有較強的抗拉能力和低延伸率特性，一般的鋼帶表面比較光滑，與填土之間的摩阻力較小，為了增大摩阻力，可在鋼帶表面每隔一定距離設置凸起，能夠明顯增大其抗拔能力，從而加強擋土墻的穩定性。鋼筋混凝土帶是沿鋼筋長度方向上，每隔一定距離設置一梯形或矩形的混凝土板，增大與填土之間的摩阻力，進而增加了擋土墻的穩定性。鋼帶和鋼筋混凝土帶都面臨著銹蝕問題，可在表面涂抹防銹劑以增大其抗銹蝕能力。

聚丙烯土工帶是一種良好的筋材，該材料來源豐富，生產工藝簡單、成本較低，最近20余年內，在我國加筋土擋墻中使用廣泛。據文獻[2]報道在已建成的加筋土工程中80%以上均采用土工帶,在我國公路加筋土工程中95%以上的工程均使用土工帶。為了提高聚丙烯土工帶的抗拉能力和控制其延伸率，在聚丙烯土工帶內部加入鋼絲形成鋼塑復合帶，提高了土工帶性能，增加了擋墻的穩定性。

另外，聚丙烯土工帶具有良好的耐腐蝕性，土體中的溫濕度、含氧量、微生物和化學物質等對聚丙烯土工帶一般影響較小，但聚丙烯土工帶的抗老化能力，特別是紫外線對其的影響較大，因此在使用過程中應特別注意，可以從原材料和添加劑兩個方面減緩其老化，實現其增強擋墻的穩定性。

土工格柵是一種非常理想的筋材，其網孔與粗顆粒土能夠相互咬合，除了與土體之間的摩阻力外，還有較好的咬合力，因此與土體之間的摩擦性能良好，對擋土墻的穩定性較好。土工布作為加筋材料埋置于土體中，增加土體的抗拉和抗變形能力，很好的提高擋土墻結構的穩定性。

3.1.2筋材設置

筋材的設置包括筋材的間距和長度，如果使用土工帶，其間距包括水平間距和豎向間距，兩者可做成相同的，水平間距和豎向間距一般為0.3 m～0.6 m之間，具體控制在筋材不會發生抗拉和抗拔破壞，每根筋材上受到的拉力為：

Ti=Kiσvisxsy

(1)

其中，Ki為第i根筋材處的土壓力系數；σvi為第i根筋材處的豎向應力,kPa；sx,sy分別為水平向和豎直向筋材的布置間距,m;若擋墻為反包式(全鋪式，筋材選用土工格柵或土工布)，sx=1.0。對于水平間距和豎向間距，一般宜控制在0.2 m～1.0 m之間，若間距過小，容易給填土碾壓帶來不便，間距過大，單根筋材上受到的拉力較大，也使得墻面板高度較大，搬運與砌筑不便。

墻后填土產生的水平土壓力可根據郎肯土壓力計算；我國TB 10025—2019鐵路路基支擋結構設計規范中建議采用式(2)，式(3)計算：

當hi<6 m：Ki=K0(1-hi/6)+Kahi/6

(2)

當hi≥6m：Ki=Ka

(3)

其中，K0為靜止土壓力系數；Ka為朗肯土壓力系數。

筋材的長度控制關鍵是確保其不會發生拔出破壞，每根筋材的抗拔承載力可用式(4)計算：

T=σviLbf

(4)

其中，L為土工帶的有效長度(錨固長度)；b為土工帶的寬度；f為土工帶與填料之間的摩擦系數。

綜上，筋材的設置滿足抗拔極限承載力要求，使筋材不會發生抗拉和抗拔破壞，從而提高了擋墻的穩定性。

3.1.3提高筋材抗拔承載力的措施

筋材抗拔能力決定著其內部穩定性，有的筋材如土工帶與土體間的摩擦性能不太理想，這時可以通過某些措施增加土工帶的抗拔承載力，如將土工帶末端統一固定在一縱向桿件上，能夠增加筋材的整體穩定性；用U形釘將桿件固定在填土里，也會增加筋材的抗拔能力；此外提高填土壓實度，增加填土粒徑，采用土工格柵等均會增加筋材的抗拔承載力。

3.2 填料選擇與壓實

填料是加筋土擋墻的主體材料，填料的選擇基于以下幾個原則：

1)良好的透水性、易壓實；2)與筋材之間具有良好的摩擦性能；3)滿足一定的化學和電化學標準[3]；4)易溶鹽、硫化物和有機質不應超過限定值。較為理想的填料宜選擇粗顆粒土，包括碎石、礫石、砂土等，這些填料透水性強，毛細上升高度小，具有較大的內摩擦系數，強度和水穩定性均好。砂土粘結性較小，易于松散，壓實困難，但充分壓實的砂土，壓縮性小，穩定性好，可以采用振動法壓實。粉性土含有較多的粉土顆粒，毛細作用強烈，毛細上升高度大，在季節性凍土地區容易造成凍脹災害，單獨作為填料不佳，可以摻加適量砂土、礫石混合使用。粘性土細顆粒含量多，土的內摩擦角較小，與筋材之間的摩擦性能較差，透水性小而吸水能力強，毛細現象顯著，有較大的可塑性，一般情況下不宜采用粘性土作為填料，如果受土體來源限制，在粘土內可摻入一些粗顆粒土體。此外，帶有棱角的碎石也不宜作為填料。填料需滿足一定的壓實度，密實的填料能夠增大與筋材之間的摩擦性能，提高擋墻的穩定性。

3.3 墻面板設計

墻面板的主要控制作用是防止端部土體從拉筋間擠出。加筋土擋墻墻面板通常由鋼筋混凝土制成，其強度可按均布荷載(水平土壓力)作用下的簡支梁計算，根據此法計算僅混凝土強度即可滿足要求。但為了防止墻面板發生裂縫，要求墻面板必須滿足最小的配筋率ρmin=0.2%[4]。墻面板可根據實際工程需求，設計成多種形狀，如十字形、矩形、六角形、半圓形等，隨著人們對環境和藝術要求的提高，一些新型美觀的墻面板也有望在將來出現。因此，優化墻面板的設計可以提高擋墻的穩定性。

4 結語

加筋土擋墻的穩定是設計和施工的關鍵，通過筋材選擇與設計、填料選擇與壓實、墻面板設計等穩定性控制，既保證了加筋土擋墻的外部穩定，又使整個復合結構內部穩定，為工程設計和施工提供了理論參考。