普通國省道改建工程中加筋格賓擋墻設計

王儒飛

(廣東粵路勘察設計有限公司 廣州市 510000)

普通國省道改建工程中，由于工程項目資金有限，這在一定程度上影響路線方案，經濟性成為首要考慮因素。特別在路堤較高、周圍環境復雜路段，常規的路基支擋結構難以兼顧經濟合理、技術可行。基于加筋格賓擋墻自身優越性[1-4]，且在高速公路避險車道、水利工程等項目中大量采用加筋格賓擋墻[1-4]設計方案，技術較成熟、施工較簡便，因此，研究了加筋格賓擋墻技術特點、設計原理、穩定性計算及設計特點，為普通國省道改建工程路基設計提供設計思路及設計方案。

1 工程概況

1.1 項目背景

工程位于廣東省梅州市的大埔縣勝坑至豐埔橋段，屬于國道G235線大埔勝坑至豐埔橋段改建工程，路線起點位于大埔縣銀江鎮葛里村附近，接國道G235線(起點樁號1975+711)，路線沿舊路裁彎取直，然后在K1977+000與G235線舊路分離，由北往南，經西洋坑、合水埠、勝坑村、李子窩、山棗坪，終點至銀江鎮豐埔橋(豐順交界附近，本項目設計終點K1982+840)，對接國道G235線豐埔橋至三合段改建工程。

1.2 工程項目

項目位于K1982+144～K1982+186左側路基，長度42m，路基填土最大高度22m。該路基左側有四棟住宅民房(2層高)，需要設置路堤擋土墻收坡，路堤擋土墻墻高需要滿足H≥13m。一般的衡重式擋土墻高度難以滿足，且其自身圬工體積量大、基底壓力大，對于地基承載力要求高。經初步設計方案比選后，綜合考慮“經濟合理、安全適用、施工方便”等原則，本項目推薦采用路堤式加筋格賓擋墻結構，擋墻面墻坡比為1∶0.2，墻后豎向排水采用麥克排水墊，水平排水采用碎石排水層，基礎需坐落在混凝土基礎上。加筋格賓擋墻總體布置見圖1。

圖1 加筋格賓擋墻總體布置圖

2 加筋格賓擋墻

2.1 技術特點

加筋土技術已有40余年歷史，廣泛應用于土木工程領域，其優越性越來越明顯。與常規的路堤擋土墻相比，歸納起來有如下幾點：

(1)適用于地基承載力低路段。加筋格賓擋墻材料輕質，自重小，從而降低了基底應力。

(2)結構是柔性結構，能適應地基較大的不均勻變形，抗震性能優。

(3)施工簡便。加筋土的面墻、筋材等構件可以預制，減少山區陡坡現場澆注施工難度。同時施工效率高、施工工期短、勞動強度低。

(4)生態性好。面墻設置孔隙，可以種植綠化植物，保護生態環境，結合一定的綠化措施(插枝)，還能實現達到快速高效的綠化效果。

(5)經濟性好。可以采用漿砌石、干砌石等成本較低的石材填充格賓擋墻，山區巖石地段石材豐富，且沿河路段存在大量的鵝卵石，這與混凝土材料相比，工程造價更低廉，具有一定的經濟優勢。

2.2 設計原理

路基填土在一定的坡率和坡高下，其自身穩定性不足將導致填土產生較大的變形，甚至坍塌。在土中設置加筋材料，猶如混凝土中設置了抗拉鋼筋，通過拉筋與土體相互摩擦、相互粘合，土體獲得圍壓，其力學性能得到改善，從而提高抗剪強度(C、φ)。加筋土中的筋土相互作用示意圖見圖2。

圖2 加筋土中的筋土相互作用

3 加筋格賓擋墻計算參數

(1)計算位置

根據路基邊坡填土高度，選取最不利斷面計算，即K1982+165左側橫斷面。

圖3 路堤式加筋格賓擋墻斷面圖(單位：m)

(2)物理力學指標

根據地勘報告及工程項目經驗取值，具體詳見表1。

表1 材料計算參數表

(3)計算程序

采用MacStARS 加筋格賓擋墻專用計算分析軟件。

(4)巖土荷載

程序自動考慮巖土荷載。

(5)地震

不考慮地震荷載的影響。

(6)六角形雙絞合金屬網長期允許抗拉強度

六角形雙絞合金屬網長期允許抗拉強度(60年)，按式(1)計算：

(1)

式中：Tc為土工格柵極限抗拉強度；fm為與制造工藝相關的折減系數；fd為施工損壞的折減系數；fe為環境影響的折減系數。

根據歐洲規范，網面型號為8×10、鋼絲直徑d=2.7mm的網片，其極限抗拉強度的最小值TC=42kN/m。

式(1)中的折減系數，有條件時，可以通過試驗確定，也可以根據表2～表4選取。

表2 折減系數fm

表3 折減系數fd

表4 折減系數fe

綜上所述，金屬網綜合折減系數，以及長期允許抗拉強度如表5所示。

表5 綜合折減系數及長期運行抗拉強度

(7)格柵長期允許抗拉強度

格柵長期允許抗拉強度，以及相關的折減系數可以通過實驗確定，也可以通過式(2)確定：

RF=RFCR×RFID×RFD

(2)

其中：Tallow為長期設計強度；Tult為極限抗拉強度；RF為折減系數；RFID為施工損傷的折減系數；RFCR為蠕變折減系數；RFD為生物化學影響折減系數。

4 加筋格賓擋墻穩定性驗算

4.1 內部穩定性計算

加筋土內部穩定性分析計算采用軟件程序計算。綠色加筋格賓擋墻的第i層筋材水平拉力計算如式(3)：

Ti=[(r1zi+r2h+∑Δσv)Ka(int)]Sv

(3)

式中：∑Δσv為超載擴散至zi深度處的垂直附加應力；h為外部荷載換算成等代均布土厚度(m)；r1為填料重度(kN/m3)；r2為填土重度(kN/m3)；Sv為筋材間距(m)。

同時，筋材強度應滿足式(4)條件：

Timax≤Ta

(4)

式中：Timax為筋材水平拉力(kN/m)；Ta為允許抗拉強度(kN/m)。

塊體內部穩定分析計算結果，與規范值對比如表6所示。

表6 內部穩定性分析計算結果

從表6及圖4、圖5軟件計算結果可以得到：內部最小穩定安全系數1.460(計算值)>1.30(規范值)，內部穩定性滿足規范要求。

圖4 TM1內部穩定性計算

圖5 TM2內部穩定性計算

4.2 外部穩定性計算

加筋土擋土墻的外部穩定性分析包括：土壓力計算；基底滑移；傾覆穩定性；地基承載力。

從表7、表8及圖6軟件計算結果可以得到：抗滑移安全穩定系數1.485(計算值)>1.30(規范值)，抗傾覆安全穩定性2.890(計算值)>1.50(規范值)，均滿足規范要求。基礎底面地基壓應力為310kPa。

表7 外部穩定分析計算結果

表8 外部穩定分析計算結果

圖6 外部穩定性計算

4.3 整體穩定性計算

采用MacStars軟件計算整體穩定性。根據本工程地質條件，巖土比較均勻，采用畢肖普法計算整體穩定性。

從表9匯總圖7軟件計算結果可以得到：整體穩定性安全系數1.38(計算值)>1.30(規范值)，滿足規范要求。

表9 整體穩定分析計算結果

5 加筋格賓擋墻設計

5.1 細部構件設計

(1)加筋土單元規格要求：TM3×3×1×0.8ZNP，長3m、寬3m、高度1m、厚度0.8m的鍍鋅覆高耐磨有機涂層加筋格賓，見圖7(a)。

(2)力學性能：網面標稱拉伸強度42kN/m，網面標稱翻邊強度35kN/m。其中網面構造如圖7(b)，包含邊絲、端絲及網面鋼絲，網面鋼絲采用雙絞合連接，其間距M值不小于10個連續網孔雙絞合軸線距離的平均值，雙絞合大樣圖如圖7(c)，絞邊連接采用鋼絲綁扎，單圈與雙圈鋼絲間距為10cm～15cm，如圖7(d)所示。

圖7 整體穩定性計算

圖8 鍍鋅覆高耐磨有機涂層加筋格賓細部構件

5.2 土工格柵設計

(1)路堤擋墻：擋墻上坡放坡坡比1∶1.5，墻高8m，擋墻面坡坡比為1∶0.2，擋墻最大高度13m。地基承載力應滿足≥300kPa。

(2)土工格柵：高韌性聚酯紗線集束格柵采用高韌性、高分子模量聚酯紗線集束成股后外覆PE鞘套保護層所形成的條袋式超聲波焊接土工格柵。縱向長期允許抗拉強度(20℃，4

(3)麥克排水墊：為波形縱向全斷面排水通道的三維聚丙烯網墊，與兩層聚丙烯長絲紡粘土工布熱粘形成的三維復合排水材料。復合體排水能力：水力梯度為1時，100kPa下平面通水量1.3L/(m·s)，200kPa下平面通水量1.18L/(m·s)。聚丙烯長絲紡粘土工布厚度(2kPa)≤0.75mm，縱橫向抗拉強度≥8kN/m。

(4)石料填充：可以采用片石或塊石，空隙率控制在30%以下，強度等級不小于MU30，比重不小于2.5t/m3，不應采用風化石材；加筋格賓要求石料粒徑大小為100～300mm，雷諾護墊填石粒徑不能太大，粒徑范圍為70～150mm。加筋格賓墻面30cm內應采取干砌。

6 結語

以國道G235線大埔勝坑至豐埔橋段改建工程為依托，在常規擋土墻設置時受到周圍環境的影響，且經濟代價高、技術性難度大，加筋格賓擋墻應運而生，其優越性非常明顯。計算分析了加筋格賓擋墻穩定性，計算結果均滿足規范要求，并且論述了設計、施工關鍵性技術參數，為設計、施工提供有益參考。