柔性綠色格賓擋墻在市政工程中的應用

馬 瑤，馬 奔，陸 鵬

（西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

綠色加筋格賓擋墻是一種柔性加筋擋土墻，是由一系列綠色加筋格賓單元連接而成，單個結構單元主要由六邊形鋼絲網面、焊接金屬網、金屬三角支架、金屬支撐桿、生物墊等部件組合而成[1]。由于其良好的經濟性、耐久性、整體性、生態環保性[2]被廣泛的應用于公路、鐵路、水利等工程中，但于市政工程中較少應用。本文通過分析研究，提出目前規范及相關研究中存在的一些不足，給出計算步驟，并通過算例分析其合理性。同時針對市政工程管溝工程較多的特點，提出其適應的施工工藝。

1 目前存在的不足

1.1 面板分類不全

傳統加筋土擋土墻墻面面板可采用金屬面板、鋼筋混凝土面板或混凝土面板，其強度等級不宜低于C20，厚度不應小于80 mm[3]；墻面宜采用鋼筋混凝土預制件[4]。規范中規定的面板均為剛性面板，而擋墻設計計算方式與面板有密切關系，當無面板且加筋坡面與水平面夾角小于70°時按加筋土路堤設計[5]；有面板及無面板但夾角大于70°時按加筋土擋土墻設計[4]。

本文中提及的綠色加筋格賓擋墻，其面板由焊接金屬網、三角支架及支撐桿體系組成，既不屬于剛性面板，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擋土墻設計。

1.2 破裂面論述

公路行業中，對于剛性面板加筋土擋土墻簡化破裂面目前為0.3 H破裂面[4]，如圖1所示，上部平行于墻面，距離墻面的距離bH為0.3 H，下部通過坡腳，與水平面的夾角為45°+φ/2-α/3。

圖1 0.3 H破裂面

由于加筋土擋墻實際破裂面不僅與面板剛度、筋材抗拉模量、筋材延伸率有關，還與填料類型、加荷方式、施工工藝、筋材長度、填土高度等均有關系，無法一概而論。而對于柔性面板加筋土擋墻的破裂面，由于其柔性更大，破裂面更趨向于朗肯破裂面，其簡化破裂面如圖2所示，破裂面與水平面的夾角為45°+φ/2，筋材加長時，破裂面有遠離坡面趨勢，但不會無限遠離。本文采用朗肯破裂面計算其內部穩定性。

圖2 朗肯破裂面

2 設計計算

設計計算包括內部穩定性及外部穩定性的驗算；加筋土擋墻最為關鍵的為筋材長度及間距確定。本文提出基于柔性面板的筋材計算長度及間距的方法，同時進行筋材抗拉強度驗算及整體穩定性驗算，而抗滑穩定性、抗傾覆穩定性、地基承載力、地基沉降計算與重力式擋墻計算機理相同，本文不再論述。

2.1 筋材長度計算

筋材長度包括活動區長度Lei及錨固區長度Lai，Lei根據朗肯破裂面得到，Lai根據式（1）得到：

式中：Tpi為永久荷載作用下，Zi層深度處，筋材有效錨固長度所提供的抗拔力，kN/m；fGS為筋土界面阻力系數；σi為永久荷載引起的豎向土壓力，kPa；σi=γ（Zi+h1），h1為加筋體上坡面填土換算等代均布土層厚度，m。

而所需抗拔力Tpi由式（2）、（3）確定：

式中：Ti為Zi層深度處筋材所承受的水平拉力設計值，kN/m；σEi為加筋體深度處作用于墻面上的水平土壓力應力，kPa；Δh1為第i層筋材的加筋間距，m。

需滿足抗拉強度驗算，即式（4）、式（5）

式中：γc為結構性系數；γf為筋材抗拉性能分項系數；Ta為筋材設計抗拉強度，kN/m；τult為筋材極限抗拉強度；RF為總折減系數；RFCR為蠕變折減系數；RFD為老化折減系數；RFID為施工損傷折減系數。

2.2 水平土壓力計算

朗肯破裂面對應的水平土壓力系數Ki如圖3所示，計算公式見式（6），σEi計算見式（7）。

圖3 水平土壓力系數分布系數

式中：φ為加筋填料綜合內摩擦角，（°）；σfi為車輛荷載、人群荷載作用下加筋體內深度處Zi的豎向壓應力，kPa（計算詳見參考文獻[3]）。

2.3 整體穩定性驗算

計算模型見圖4，其中滑動圓弧圓心及半徑經試算得來，圓心一般位于邊坡頂點D的西北象限內，若滑動面位于筋材范圍，還需考慮筋材抗拔力，計算公式見式（8）。

圖4 整體穩定性計算模型

式中：ci為第i條土條黏聚力，kPa；xi為第i條土弧長，m；wi為第i條土重力，kN；βi為第i條土條滑動弧的法線與豎直線的夾角，（°）；φi為第i條土條滑動面處的內摩擦角，（°）；pj為穿過破裂面的第j層筋帶的抗拔力，由破裂面以外錨固區范圍內筋材長度所產生的摩阻力提供，為穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，（°）。

3 工程實例

西安市臨潼區秦漢大道市政工程西起西禹高速，東至秦兵馬俑景區，為城市主干路，同時也是一條文化旅游景觀大道。綠色加筋格賓擋墻設置于隴海鐵路—108國道段南北兩側輔道及人行道外側，全長411 m，墻高3~9.5 m，擋墻墻面坡比為1∶0.466，面墻傾角65°，墻頂外側土路肩設置人行欄桿以保證行人安全。擋墻橫斷面布置如圖5所示。

圖5 擋墻橫斷面布置圖

算例選用9.5 m擋墻進行計算，筋材間距0.73 m，填料采用黃土，其容重γ=19 kN/m3，綜合內摩擦角φ=30°，修正后地基承載力特征值fa=180 kPa，τult=150 kPa，RF=1.6，fGS=0.4，荷載組合選用組合Ⅱ，筋材共13層，由基底起至路面標高分別為1至13層。車輛荷載取值12 kN/m2，人群荷載取值3 kN/m2，基底摩擦系數取0.4。

由公式（1）至（7）計算可得其內部穩定性如表1所示。

表1 內部穩定性計算表

擋墻的整體穩定性采用理正設計軟件試算，當筋材長度取6 m時，Ks=1.193＜1.25，圓弧滑動半徑為11.677 m，不滿足整體穩定性要求。當筋材長度取7 m時，Ks=1.278＞1.25，圓弧滑動半徑為11.963 m，圓心基于邊坡頂點D坐標為（-3.922，0.527）,本次按筋材長度7 m布設。

同時，按筋材長度7 m計算，抗滑穩定性方程的計算結果為207＞0，Kc=2.6＞1.3；抗傾覆穩定方程的計算結果為3595＞0，Kc=10.93＞1.5；地基承載力的計算結果為σ=130.5 kPa＜180 kPa；均滿足規范要求。本例計算結果筋材長度選用7 m。關于計算結果的幾點討論：

一是根據內部穩定性計算，所需筋材長度為變值，1層筋材最短，13層最長。

二是筋材所需最長僅2.7 m時即可滿足內部穩定性計算，遠小于整體穩定性驗算所需7 m長度。

三是即便墻后填料取綜合內摩擦角15°時，由計算得到其筋材最長長度為4.023 m，也小于整體穩定性驗算所需長度。

四是柔性面板加筋土擋墻計算主要控制指標為整體穩定性，且較長的筋材長度也可有效控制擋墻的側向穩定位移，同時筋材長度還需滿足規范中關于構造的要求。

4 市政工程中施工構造措施

4.1 與管溝結合的施工工藝

秦漢大道市政工程設置的綠色加筋格賓擋墻，在筋材范圍內有一道電力排管，混凝土包封，外尺寸為1.5×1.55 m，位于邊坡頂點D 1.75 m處，埋深0.9 m。該電力排管位于錨固區，影響11、12層筋材，如圖6所示。若擋墻與電力排管同步施工，由于排管距離擋墻面板較近，填料壓實度難以控制，無法保證其施工質量，影響擋墻安全。

圖6 擋墻橫斷面布置圖（單位：m）

本文提出反挖溝槽的施工工藝，先將填料施工至13層筋材高度，然后開挖溝槽至排管設計底標高，開挖過程中需剪斷筋材，并盡量較少擾動。排管施工時將筋材澆筑于混凝土中，注意筋材應盡量平整，以保證與混凝土之間的抗拔力，使筋材與排管成為統一整體。施工時應分段進行，減少筋材剪斷未澆筑的時間。該方法可保證填料壓實度，減少電力排管對擋墻的影響，并使之成為擋墻整體的一部分。經實踐證明，該方法操作簡單，行之有效。

4.2 設置調節塊

本例在筋材頂設置混凝土調節塊，調節塊寬40 cm，采用C25混凝土澆筑，該調節塊有如下作用：

一是調節擋墻高度。

二是壓頂作用，增強筋材整體性，對于最薄弱的頂層筋材反包段來說，防止其破壞。

5 結語

綠色加筋格賓擋墻屬于柔性面板加筋擋土墻，本文提出的基于柔性面板加筋土擋墻設計計算方法及其在市政工程中應用時的施工構造措施，對于今后柔性面板加筋土擋墻的建設均具有借鑒意義。