加筋土擋墻在山區水廠高填方工程中的分析與應用

高程鵬 王林 強健

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

隨著我國經濟建設的不斷發展，越來越多的凈水廠工程需要建設在地形、地貌較為復雜的山區中，由此帶來大量的土石方深挖高填工程。

按照常規的回填及坡面防護做法，填方邊坡的坡率一般控制在1∶1.5～1∶3之間［1］。但該做法經常受到山區地形的制約，且會增加水廠征用地面積，大量增加土石方回填量，造成資源浪費。故水廠中的高填方邊坡不能按常規做法實施，需要采取一定的支護措施，主要包括：重力式擋墻、土釘墻、樁錨結構、加筋土擋墻或以上措施相結合的形式［2］。其中，重力式擋墻是較傳統的支擋結構，其施工簡單、技術成熟、認可度高，對于墻體高度≤12m的擋墻可以直接選用國家標準圖集GJBT-750。土釘墻與樁錨結構因其錨固體在填土中側摩阻力的發揮程度難以得到保障，故在填方工程中的應用受到很大的局限。加筋土擋墻目前主要應用在鐵路與道路工程中，在水廠類廠站建筑中的應用較少；但其具有變形適應能力強、節約占地、造型美觀、性價比高等優點，因而在水廠高填方工程中同樣具備較強的適用性［3-5］。

本文主要通過某凈水廠實際工程案例，利用Midas GTS三維有限元計算，將傳統重力式擋墻與加筋土擋墻從安全系數、結構位移、地基承載力、經濟性等多方面進行對比分析，得出了加筋土擋墻支護方案，并結合有限元計算結果對設計方案進行了優化。本文為加筋土擋墻在水廠高填方工程中的推廣與應用提供參考與借鑒。

1 工程概況

擬建江西省某凈水廠，水廠設計規模為日供水量6萬m3/d。現狀場地為荒地，地勢起伏較大。場區南側及東側整平至設計標高后，可形成長約400m，最大高度為19m的高填方邊坡。

根據地勘資料得知，擬建高填方邊坡處揭露土層主要為①素填土、②粉質黏土、④卵石土、⑤1全風化千枚巖。其中：①素填土由各種風化不一的基巖碎屑及粘性土組成；②粉質黏土以硬塑為主，局部為可塑狀態；④卵石土為中密狀態，中細砂填充，粘性土包裹；⑤1全風化千枚巖呈土柱、碎屑狀，部分尚可辨認千枚狀構造。本工程中各土層的力學參數見表1。

表1 土層分層及土層力學參數Tab.1 Soil profile and parameters

2 支護結構設計方案

2.1 重力式擋墻方案

根據擋土墻國標圖集GJBT-750，本工程中邊坡高度達到19m，故重力式擋墻需采用衡重式擋墻［6］。根據圖集中截面尺寸參數，擋墻的墻身總高15m，墻踵埋深2m，墻底寬7.5m，墻頂寬2.5m。擋墻上部采用自然放坡，高度6m，坡率1∶1.75。擋墻與放坡之間的馬道寬5m，具體結構如圖1所示。

圖1 重力式擋墻方案示意Fig.1 Schematic diagram of the gravity retaining wall

2.2 加筋土擋墻方案

本方案中，加筋土擋墻高13m，坡率為1∶0.5，加筋長度12m，共設置12層土工格柵，層間距1m。土工格柵采用150型纖塑格柵作為筋材，纖塑格柵的參數要求見表2。擋墻上部自然放坡高度6m，坡率1∶1.75。擋墻與放坡之間的馬道寬5m，具體結構如圖2所示。

圖2 加筋土擋墻方案示意Fig.2 Schematic diagram of the geogrid-reinforced retaining wall

表2 150型纖塑格柵參數Tab.2 Parameters of the Model150geogrid

兩方案的支護結構參數見表3。

表3 支護結構參數Tab.3 Parameters of the supporting structure

3 數值計算模型

采用Midas GTS有限元分析軟件對兩種支護方案分別建立三維模型，如圖3所示。模型的高度為34m，寬度為68.7m，縱向寬度為20m。其中，土體采用摩爾庫侖本構模型，重力式擋墻與土工格柵均采用各向同性的彈性單元進行模擬。土工格柵與土體之間采用Midas GTS NX軟件內置的Goodman接觸單元模擬兩者之間的剪切滑移作用。Goodman單元由接觸面兩側的兩對節點所組成，單元的厚度為零，兩接觸面之間假想為由無數的法向和切向彈簧相連，彈簧剛度由軟件根據土工格柵所在土層的強度參數自動計算得到。在施工過程模擬中，每一步均采用強度折減法來計算整個支護結構的安全系數。

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圖3 重力式擋墻與加筋土擋墻支護有限元模型Fig.3 Finite element model of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall supporting system

4 方案對比分析

4.1 塑性區及安全系數對比

通過采用強度折減法，可以得到各支護方案的安全系數隨施工工況的變化。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330—2013），該邊坡（擋墻）的穩定安全系數不應小于1.35［7］。

加筋土擋墻方案中，加筋土擋墻部分共分為13層，共設置了12層土工格柵。故施工工況分為15步：第1步為初始地應力平衡，第2～14步為加筋土擋墻分層施工，第15步為加筋土擋墻頂部填土邊坡施工。

安全系數隨施工工況的變化規律如圖4、圖5所示，圖中的S2～S15分別表示第2步～第15步施工工況。從圖4中可以看出，從工況S2至工況S10，安全系數隨施工工況基本呈線性提高。此時的潛在滑動面僅存在于加筋土擋墻頂部的原狀邊坡中；隨著加筋土擋墻高度增加，該滑動面的范圍逐漸減小，安全系數也隨之提高。在工況S11時，加筋土擋墻高度為10m，頂部原狀邊坡的高度為9m。此時除原狀邊坡的滑動面外，加筋土擋墻內也出現了第二滑動面。且在之后的工況中，隨著加筋土擋墻高度的增加，擋墻頂邊坡的滑動面逐漸消失為坡腳局部的塑性區，加筋土擋墻的滑動面逐漸貫通發展為主要的滑動面。在這一過程中，安全系數隨之降低。

圖4 加筋土擋墻支護中安全系數隨施工工況的變化Fig.4 The variation of safety factor with construction steps in geogrid-reinforced retaining wall

圖5 不同工況下加筋土擋墻滑動面位置及相應安全系數Fig.5 The sliding surface and corresponding safety factor of the geogrid-reinforced retaining wall in different steps

由此可知，在加筋土擋墻的施工過程中，安全系數呈現先增后減的規律；當加筋土擋墻的高度與墻頂原邊坡高度接近時，安全系數達到最大值，隨后開始減小。

重力式擋墻方案中，重力式擋墻與墻體背后的填土考慮為一次性施工完成，故施工工況分為3步：第1步為初始地應力平衡，第2步為擋墻施工與墻背填土施工，第3步為擋土墻頂部填土邊坡施工。第2步與第3步的潛在滑動面位置及相應安全系數如圖6所示。在擋墻施工完成時，安全系數為1.85；在墻頂邊坡施工完成時，安全系數降低為1.325，已經不滿足規范中的最小安全系數要求。該方案中，潛在滑動面共有兩處：一處沿著填土與原邊坡的交界面發展并貫通至填土邊坡坡頂，另外一處沿著擋土墻背豎向發展并延伸至填土邊坡坡腳。此外，墻底及墻踵周圍的土體也發展成為塑性區，產生了較大塑性變形。

圖6 不同工況下重力式擋墻滑動面位置及相應安全系數Fig.6 The sliding surface and corresponding safety factor of the gravity retaining wall in different steps

通過借助于理正巖土計算軟件（6.5PB5版）中的復雜邊坡驗算模塊與衡重式擋墻驗算模塊，本文計算了加筋土擋墻方案與重力式擋墻方案的整體穩定安全系數的理論解，最終安全系數匯總如表4所示。從中可以看出，加筋土擋墻的兩個安全系數計算結果較為接近，能夠滿足《建筑邊坡工程技術規范》要求的最小安全系數。而重力式擋墻的整體穩定安全系數低于強度折減法安全系數，且略低于《建筑邊坡工程技術規范》要求的最小安全系數。

表4 安全系數匯總Tab.4 Summary of safety factors

4.2 地基承載力對比

圖7所示為不同支護下，模型中軸剖面處基底反力云圖的對比。從圖7中可以看出，加筋土擋墻最大基底反力為151kPa，且分布較為均勻。重力式擋墻最大基底反力為310kPa，且為偏心反力，最大值分布于墻踵處。根據地勘報告，基底土層為④卵石土，地基承載力特征值為200kPa。由此可知，重力式擋墻支護的基底反力不滿足地基承載力的要求，需要額外采取換填、土體加固等地基處理措施或采取樁基礎。

圖7 不同支護下的基底反力云圖（單位：kPa）Fig.7 The cloud image of basal reaction in different supporting system（unit：kPa）

4.3 支護結構位移對比

圖8 不同支護下的位移云圖（單位：m）Fig.8 The cloud image of displacement in different supporting structure（unit：m）

重力式擋墻支護中的最大位移主要發生于上部的填土邊坡處，位移值為7.60cm，重力式擋墻最大位移發生在墻頂處，位移值為5.0cm。對比兩種支護結構的位移趨勢可知，加筋土擋墻的位移以底部滑移趨勢為主，而重力式擋墻的位移以頂部傾覆趨勢為主。

加筋土擋墻與重力式擋墻支護中邊坡頂的地面沉降曲線如圖9所示。圖中地表坐標x為坡頂距離模型左側邊緣的距離，沉降量Tz為土體的豎向變形量。加筋土擋墻的最大地面沉降為4.1cm，重力式擋墻的最大地面沉降為7.0cm；且重力式擋墻地面沉降值整體均大于加筋土擋墻地面沉降值。

圖9 不同支護下坡頂的沉降曲線Fig.9 Settlement curve of the slope roof under different supports

4.4 其他結構性與功能性對比

重力式擋墻與加筋土擋墻的其他結構性與功能性對比見表5。

表5 重力式擋墻與加筋土擋墻對比分析Tab.5 Comparative analysis of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall

此外，本工程中重力式擋墻方案每延米需要的毛石混凝土約102m3，直接工程費用估算約為25500元/m；加筋土擋墻方案每延米的工程量統計見表6，直接工程費用約為13900元/m。對比可知，加筋土擋墻支護的造價比同等條件下重力式擋墻支護節約45.5%。

表6 加筋土擋墻每延米的工程量統計Tab.6 Statistical table of the engineering quantities in the geogrid-reinforced retaining wall per meter

4.5 加筋土擋墻應用的注意事項

水廠中加筋土擋墻的應用也有一定的局限性，即廠區內的水池、泵房等深埋或采用樁基礎的建構筑物不能布置在加筋土擋墻的邊坡范圍內。加筋土擋墻施工時是按照一層土工格柵＋一層回填土分層夯實施工，其依靠土工格柵與填土之間的摩擦作用，改善土體工程特性，達到穩定邊坡的目的。而施工深埋基礎或樁基礎，則會破壞土工格柵與填土之間的相互作用，導致筋材失效，邊坡失穩。而重力式擋墻主要依靠擋墻自身的重力保證邊坡穩定，其墻背填土主要為荷載作用，在確保不會有墻體附加荷載及擋墻自身穩定的前提下，可以作為深埋或樁基礎建筑（構）物的建筑用地。

因此，加筋回填土范圍內不能作為廠區深埋或樁基建（構）筑物的建筑用地。

5 設計方案優化

經過對比分析與方案比選，本工程采取了加筋土擋墻設計方案。根據前述加筋土擋墻有限元計算結果，發現潛在滑動面基本都在填方邊坡與原狀邊坡的交界面上。故加強新舊邊坡交界面的連接設計，對加筋土擋墻的穩定性至關重要。

在填方邊坡與原狀邊坡交界面上采取了優化設計，如圖10a所示。首先挖除原邊坡表面虛土，并設置（0.9～1.5）m×1.0m防滑臺階。同時，為避免雨水入滲導致坡內孔隙水壓力累積及交界面處回填土強度降低，在防滑臺階表面設置了500mm厚碎石排水層，在加筋土擋墻高度范圍內設置4道水平碎石排水通道。加筋土表面采用透水格賓，其構造示意如圖10b所示。格賓中采用質地堅硬、不易崩解和水解、抗風化的塊石進行填充，強度等級MU30，比重不小于2.5t/m3。同時在坡頂及坡腳設置排水溝。上述排水通道通過沿坡面布置的流水踏步共同作用，形成縱橫排水體系，將雨水及時有效導排至坡底市政排水體系，以確保新舊邊坡接觸面不會發展成為潛在滑移面，由此進一步提高加筋土擋墻的整體穩定性。

圖10 加筋土擋墻方案優化設計Fig.10 Optimal design of the geogrid-reinforced retaining wall

6 結論

本文以某凈水廠19m高填方工程為例，通過建立Midas GTS三維模型，對比分析了加筋土擋墻與重力式擋墻應用于凈水廠高填方工程時的安全系數、結構位移、地基承載力、經濟性、結構性等多項指標，得出以下結論：

1.對于邊坡高度較高的高填方支護工程，加筋土擋墻表現出較好的經濟技術優勢，表現在安全系數高、支護位移與土體位移較小、造價較低、基底反力小等。

2.高填方工程的加筋土擋墻在施工過程中，安全系數呈現先增后減的規律；當加筋土擋墻的高度與墻頂原邊坡高度接近時，安全系數達到最大值，隨后開始減小。

3.選用加筋土擋墻時需要注意加筋回填土范圍內不能作為廠區深埋或樁基建（構）筑物的建筑用地。

4.本工程中加筋土擋墻潛在滑動面基本都發生在填方邊坡與原狀邊坡的交界面上，因此可沿交界面設置防滑臺階、碎石排水層等措施增加加筋土擋墻的整體穩定性。