預應力筋預拉力對預應力加筋土擋墻穩定性影響

摘要 研究預應力鋼筋拉力對預應力加筋土擋墻穩定性的影響，選擇有限元、理論分析法，對無粘結預應力加筋土擋墻的安全穩定性進行研究。通過逐步提高土擋墻的安全穩定性和頂荷載，對土擋墻結構的安全穩定性，其失穩由特征點的位移變化決定。介紹預應力筋的最大預拉力值及其對安全穩定的負面影響，并對其關鍵施工技術進行總結。隨著最大預拉力值的增加，塑性體積在不平衡過程中逐漸減小。塑性體積與水平線的距離越小，土擋墻的最小主應力值和安全穩定度越高。

關鍵詞 預應力筋;預拉力;加筋土擋墻;穩定性;影響因素

中圖分類號 TU476.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0129-03

收稿日期：2022-03-02

作者簡介：王云珊（1983—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程監理。

0 前言

加筋土擋墻結構具有施工速度快、經濟效益好、外形美觀、安全可靠、耐久性好、抗震性能好等優點。根據目前的研究和分析，加筋土擋墻的機理不受固定材料的約束，這種約束是一種被動效應。將固定材料與填料結合，形成摩擦機制和剪切機制，起到限制填料的作用。基于上述原理，加筋土中用的填料也具有相應的特性。如填料不好，會對加筋土擋墻層造成破壞。

1 理論基礎

該技術可分為墻板、側板、預應力筋和填料。通過拉預應力筋，可以驅動連續側向受壓板和墻板，加固區內的填充力達到主動約束狀態，進而增強加筋土構件的力學性能。無粘結水平預應力鋼筋混凝土施工期間，回填土上形成有效的水平預應力場屬于關鍵施工技術，水平鋼筋混凝土施工的擴散也與預應力筋的最大膨脹值有關。加筋中的水平應力不僅影響加筋的硬度，還影響加筋的穩定性，研究水平土壓力對加筋土擋墻的穩定性和發展具有重要意義，是提高擋土墻安全性的合理途徑。數值方法可分析加筋土擋墻的形狀和應力，探究加筋體的作用機理。Leschinsky[1]等人采用數值模擬方法，綜合分析了提高擋土墻穩定性的破壞方式，明確了擋土墻的內部結構破壞、外部損傷、復合材料破壞和整體損傷。

Chenrh[2]通過四種加固方法明確了加筋擋土墻的穩定性變化規律。合理的數值結果在很大程度上決定了填料的模型，常用的本鉤模型包括：鄧肯-張模型、莫爾-庫侖模型、德魯克-布拉格模型、修正劍橋模型等，莫爾-庫侖是一種在我國廣泛應用的土的本構模型。許多不同的研究結果都基于對該模型的分析。劉倍宏等[3]得到了有限填土加筋土擋墻穩定性的基本規律，打破了傳統模型。

目前，用數值方法確定加筋土或擋土墻極限狀態的標準一般有三種：①不收斂測量;②特征點突變、移位;③穿透等效塑性應力。以有限元計算結果的不收斂性為失穩標準，其中包含一定的不確定性因素。在特定情況下，計算結果可能會有很大偏差。不同的收斂速度會受到不同因素影響。步長的增加會對數值性能產生影響。有限元計算結果的收斂速度并不能代表擋土墻的施工已達到安全狀態。在擋土墻穩定進入極限狀態之前，土體的塑性區可以連通，塑性區可能很大，是計算擋土墻結構信息安全相關系數的一個標準，更適合于擋土墻結構本身。

2 參數研究

改變無粘結預應力加筋土擋墻結構失穩的措施隨著節點位置的突變而具有不同的特點。當選擇位移突變為結構失穩的標準措施時，坡肩通常選擇在邊坡的特征節點處，選擇擋土墻穩定性的頂部措施，如圖1中點A所示。在數據分析中，擋土墻的頂部荷載進一步增加，直到節點A處發生變形，頂部荷載的作用如圖1所示，圖中給出了數值模擬的多邊形設計尺寸。工作參數設置見表1，預拉力值的合力介于主動土壓力和被動土壓力之間。

3 結果與討論

當最大載荷為80 kPa時，預拉力值增加，頂部的水平荷載值也在增加。隨鋼筋中的塑性區在失穩過程中會逐漸向下移動，塑性區與水平線之間的夾角越來越小。滑動楔的重力隨著預應力增加，底部與滑動面和水平面之間的角度減小。表2結果表明，完全施加預張力時構件最小主應力的變化。考慮到特征單元數量過多，最小主應力值為1～16個單元的規律。類似于未列出的其他元素的規律，特征元素1～單元8在增強區域中，而特征單元9～單元16處于非增強區域。從表2和表3可以看出，當通過施加一個預張力來完成預張力時，鋼筋體內的最小和最大主應力值也會增加，而非鋼筋體內的最小和最大主應力值也會減少。

預拉力值對擋土墻建筑物的穩定性有以下三個直接影響：①預拉力值的逐漸增大，鋼筋中的完整性將逐漸增加，當不平衡時，鋼筋的塑性面積將逐漸減小。當塑性區與水平線之間的位移和角度變化較小時，擋土墻施工的穩定性將得到提高。②最大預拉力值的增加，加固區填料的最小主應力值也會增加，提升填料的最大抗剪強度與擋土墻施工的穩定性。③預拉力值的增加，雖然未加筋填料的最小主應力值也會降低，但與加筋最小主應力值的變化相比變化不大，對擋土墻施工的穩定性沒有損害。在預應力筋長度及預應力筋與預應力的位置關系不變的情況下，防護墻的穩定性隨著預應力值的增加而逐漸發展和增加。

4 加筋土擋墻的施工技術要點

京臺高速公路第四標段（北京段）正線底盤部分采用路肩加筋地面支撐墻，高度10 m。加筋土支護墻板采用凸凹模干砌。模塊由干硬性混凝土制成，抗壓強度為20 MPa，高尺寸×寬×長=19 cm×20 cm×40 cm。土工格柵的原材料為高密度聚乙烯（HDPE），粘結條的長度為14 m。面板和電網通過連接器連接。加筋土支護墻基礎為30 cm×50 cm（高）×C25水泥條基礎（寬），其下為90 cm厚分級碎石+3層三向土工格柵機械穩定層。

5 加筋土擋墻施工工藝

基層檢查驗收合格之后，依據設計要求，進行三層鋪設[4]。第一層鋪設三向土工格柵，在張拉平整，與地面緊貼且無皺褶之后，查看三向土工格柵的搭接寬度，確保其控制在30 cm以內，之后鋪設級配碎石，推土機推平之后，壓路機將其壓實。將剩余的兩層也按照此方式進行反復施工，條形混凝土構造，掛線處理，以此實現擋土墻模塊的施工。

該工程拉桿采用單向土工格柵，如圖3所示，提前將拉桿切割至設計長度。切割時，必須沿格柵橫向預留一排長度至少為600 mm的縱向肋。在模塊網格的末端，必須保留約100 mm的長度，以確保上部模塊的榫頭能夠壓入網格肋。不可沿著網格橫檔切割所有這些肋條，保留的網格肋條不能超出墻壁。沿路基縱向，相鄰土工格柵可對接。用刷子清除模塊頂部的殘留物，將切割的網格放入模塊的凹槽中，并用連接器夾住網格橫檔，以確保連接器覆蓋每個網格。第二層和第三層的模塊應按要求交錯鋪設，連接件和拉桿應壓緊，拉桿應手動張拉固定。

填充、壓實填充料，確保滿足施工要求，從拉桿中間開始軋制填充材料，從尾部進行反復軋制，在靠近墻體1.5 m內，使用小型的壓實機將其壓實，厚度為19 cm，確保其與模塊高度相同。在壓實填料之后，修整、擠壓變形模塊，促使其與模塊對齊，以此保障拉桿平整度滿足相應的要求[5]。

6 施工技術控制要點

（1）要確保三向土工格柵與地面緊貼，且平整，無任何的褶皺，工作人員需要加強各組配合，施工鋪設期間，第一組人員負責固定土工格柵，第二組則負責鋪設、平整土工格柵，第三組負責U型釘固定土工格柵，確保三向土工格柵緊繃，避免其施工期間出現皺褶。機械在進行碎石填筑期間，不可因為滾動作業，對土工格柵產生影響，可選擇反向傳播的形式，進行碎石填筑，機器與土工格柵之間，填料厚度要>15 cm，避免機械設備直接在土工格柵上作業。

（2）拉桿緊固、無任何的皺褶，填料填充平整，將拉桿的作用發揮出來，確保拉桿受力合理。在鋪設拉桿、安裝好連接器之后，在上面搭建兩層膜，操作人員對其進行按壓，另一組人員則將拉桿的自由端鉤住，借助輔助工具，朝后面施加張力，緊固拉桿，促使其與連接器保持豎齊，并朝著后槽表靠近。，使用U型釘固定端部與尾部，一般U型釘>4個，調整拉桿的平整度。

（3）擋土墻附近填料的壓實度，在壓實期間，擠壓擋土墻，導致其變形，填筑期間，需要在擋土墻內側預留專門的排水層，在軋制填料的過程中，避免擠壓。強度2 cm范圍內，可選擇小型的碾壓機，在壓實填料之后，手動將排水層的零散填料清除干凈，使用小型壓實機進行壓實與填充，在填料調整合格之后，進行下一道工序。

（4）擋土墻朝內傾斜1%，在施工前，可CAD模擬模塊布置，每層模塊外側要比內側高2 cm，擋土墻每高1 m，要朝內傾斜1 cm，在底層模塊外側追蹤砂漿時，要高于底層模塊內側，氣泡也要高于模塊外側。高度每高1 m，需要檢查1次，并朝內移動1 cm，鋼管立桿和水平管需要保持一定距離，注意吊桿的測量，模塊外立面為凹面和凸面，測量點選擇內側。

（5）為保障擋土墻施工人員的安全，可在外側設置腳手架（雙排鋼管），為高處作業提供防護，便于模塊的維修與砌筑，同時外側要設置密目網，操作平臺的寬度設置為90 cm，在上面蓋上大板。道路鋼管腳手架縱向間距設置為2 m、縱向水平桿間距為1.2 m，橫撐外側，斜撐中間，依據擋土墻的高度，搭設操作平臺。

（6）為將頂層路面結構層攤鋪機施工過程中的碾壓、損壞與卷起問題解決，要結合工藝，擋土墻的受力情況，將頂部橫拉筋的長度設置為2 m，帶膨脹板的攤鋪機攤鋪結構層，在距離擋土墻2.5 m，要避免直接碾壓拉桿，結合計算，在拉桿縮短2 m之后，可使擋土墻滿足要求。

7 結論

隨著預拉力值和擋土墻的穩定性增加。預張力值將對擋土墻的穩定性產生三個影響：

（1）隨著預拉力值的增加，加強筋的完整性增強。當失穩發生時，加強筋中的塑性區逐漸向下移動，塑性區與水平線之間的夾角越來越小。擋土墻的穩定性將提高。

（2）隨著預拉力值的增大，加筋中填料的最小主應力增大，從而提高填料的抗剪承載力，進而提高擋土墻的穩定性。

（3）隨著預拉力值的增大，非加筋體中填料的最小主應力減小，但與加筋體中最小主應力的變化相比變化較小，對擋土墻的穩定性沒有影響。由該公式導出的失穩載荷與數值結果吻合較好。

參考文獻

[1]Leschinsky.Influence of pretension of prestressed reinforcement on stability of prestressed reinforced earth retaining wall [J] Highway engineering， 2020（4）： 61-66.

[2]Chenrh. Study on static performance of unbonded prestressed reinforced earth retaining wall under top load [D] Hunan University， 2020.

[3]劉倍宏. 無粘結預應力加筋土擋墻變形及極限荷載研究[D]. 長沙：湖南大學， 2019.

[4]杜運興， 陳仕文， 周芬. 預應力筋預拉力對預應力加筋土擋墻靜力性能影響[J]. 公路工程， 2019（2）： 28-35.

[5]鄧迪曦. 側壓板面積對無粘結預應力加筋土擋墻力學性能影響研究[D]. 長沙：湖南大學， 2018.