綠色加筋格賓生態(tài)擋墻在道路工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)分析

摘要：文章以平南至武宣高速公路K5+358～K6+886填方路基段采用新型綠色加筋格賓擋墻新技術(shù)為例，介紹了綠色加筋格賓擋墻結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)，以及綠色加筋格賓擋墻專業(yè)設(shè)計(jì)軟件MacStars的計(jì)算原理，解決了道路穿越基本農(nóng)田混凝土擋墻實(shí)施成本高的問(wèn)題，總結(jié)了綠色加筋格賓擋墻在道路工程中應(yīng)用的綜合優(yōu)勢(shì)，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：MacStars；基本農(nóng)田區(qū)；綠色加筋格賓；生態(tài)擋墻

U417.1+15A150472

0 引言

實(shí)現(xiàn)綠色道路建設(shè)，是道路行業(yè)新的發(fā)展理念，是推動(dòng)“四大交通”發(fā)展的生動(dòng)實(shí)踐和有力抓手。在平南至武宣高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，立足綠色公路基本特征，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，嚴(yán)守“三條控制線”，著眼于統(tǒng)籌資源利用，深入保護(hù)資源，降低能源消耗，基于漿砌石擋墻、混凝土擋墻施工人力成本高、景觀性差、原材料碳排放量高、無(wú)法融入周圍生態(tài)系統(tǒng)、基礎(chǔ)承載力要求高等缺點(diǎn)，在平南至武宣高速公路K5+358～K6+886填方路基段采用新型綠色加筋格賓擋墻新技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)單元組成

1.1 綠色加筋格賓

綠色加筋格賓擋墻是一種兼具安全支擋和生態(tài)景觀功能的綠色路基防護(hù)技術(shù)。該技術(shù)可最大程度降低對(duì)傳統(tǒng)的水泥、石料等不可再生材料的需求；采用組裝式施工工藝降低人工和機(jī)械的成本，縮短施工工期；綜合高效，利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。其獨(dú)特的整體式可植生面墻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全墻面的植被綠化，實(shí)現(xiàn)減排降碳；同時(shí)通透式的面墻結(jié)構(gòu)具有極佳的排水功能。大間距高強(qiáng)聚酯格柵加筋系統(tǒng)，能有效降低工程成本，改善加筋范圍路基土體的物理力學(xué)性能，提高路基整體安全穩(wěn)定性。

綠色加筋格賓面板均為自透水結(jié)構(gòu)，排水性能更好，避免了加筋土結(jié)構(gòu)由于排水不暢而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)有崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

綠色加筋格賓面板是一種多孔隙結(jié)構(gòu)，可植生性極好，作為生態(tài)型的加筋技術(shù)，可以通過(guò)噴播，插枝的方式綠化，達(dá)到墻面全斷面，擁有絕佳景觀效果。結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2 纖塑格柵

纖塑格柵的芯材是高強(qiáng)聚酯纖維，外加PE保護(hù)鞘套，縱橫交錯(cuò)而成的一種特殊土工格柵，具有長(zhǎng)期設(shè)計(jì)強(qiáng)度高、蠕變小、模量大（同等受力條件下變形更小）、施工損傷小、施工便捷（幅寬4.5 m）等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)與綠色加筋格賓結(jié)構(gòu)結(jié)合形成復(fù)合系統(tǒng)（綠色加筋格賓作為面板和次筋材，纖塑格柵作為主筋材），能夠減少筋材用量、降低綜合造價(jià)（見(jiàn)圖2）。

2 工程概況

平南至武宣高速公路K5+358～K6+886填方路基段位于廣西梧州市，項(xiàng)目毗鄰居民區(qū)，線路穿越基本農(nóng)田，邊坡最大填方高度為12.88 m，平均高度約為10 m，邊坡地面線形較平緩，基礎(chǔ)為粉質(zhì)黏土，下伏全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)為自然放坡，為保護(hù)基本農(nóng)田，需要采用擋墻進(jìn)行收坡，在紅線用地范圍內(nèi)，上部最大放坡高度為3 m，擋墻最大高度為9.88 m，平均高度為7 m。

采用混凝土擋墻存在如下缺點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)為粉質(zhì)黏土，承載力基本容許值為200 kPa，混凝土擋墻基礎(chǔ)承載力要求高，基礎(chǔ)處理費(fèi)用高。

（2）項(xiàng)目毗鄰居民區(qū)，對(duì)填方邊坡生態(tài)景觀要求高，混凝土擋墻復(fù)綠困難，無(wú)法融入周圍環(huán)境。

（3）由于地材市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，水泥、石料等價(jià)格上漲，混凝土擋墻綜合造價(jià)高。

對(duì)比分析后，最終確定采用綠色加筋格賓擋墻方案。

3 邊坡方案設(shè)計(jì)

3.1 斷面設(shè)計(jì)

邊坡采用綠色加筋格賓擋墻+放坡方案，綠色加筋格賓擋墻最大高度為9.88 m，面墻坡比為1∶0.364，筋帶長(zhǎng)度為9 m，加筋間距為1.52 m，頂部放坡高度為3 m，坡比為1∶1.5。見(jiàn)圖3。

3.2 筋材面板及填料選取

經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，筋材采用B型纖塑格柵，格柵縱向長(zhǎng)期允許抗拉強(qiáng)度≥103 kN/m。為加強(qiáng)擋墻變形控制，要求格柵縱向標(biāo)稱伸長(zhǎng)率lt;9%，縱向5%伸長(zhǎng)率時(shí)的抗拉強(qiáng)度gt;85 kN/m。

邊坡填筑均采用砂性土、砂礫、碎（礫）石等材料，粒徑gt;60 mm填料含量lt;30%，其最大粒徑≤150 mm，土的參數(shù)取值為：粘聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角≥32°。如采用其細(xì)粒土等材料，應(yīng)進(jìn)行改良，改良土體應(yīng)滿足CBR值≥6%。按照施工中使用的壓實(shí)機(jī)械的規(guī)格性能，施工碾壓遍數(shù)和其他施工參數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到，壓實(shí)度應(yīng)＞93%；在距離面墻1 m以內(nèi)，用打夯機(jī)夯筑。

3.3 計(jì)算分析［1-3］

3.3.1 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析主要由兩個(gè)方面組成：（1）按照規(guī)范要求，對(duì)筋材的長(zhǎng)度和間距進(jìn)行了初步判斷；（2）基于加筋土擋墻實(shí)際工況，考慮筋材施工損傷、老化及蠕變的影響，對(duì)加筋體進(jìn)行內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)筋材布置逐步進(jìn)行調(diào)整，這部分內(nèi)容的計(jì)算工作量大，利用MacStars軟件輔助進(jìn)行計(jì)算。

3.3.1.1 筋帶抗拉強(qiáng)度的確定

第i層筋材的水平拉力Ti等于該層筋材水平土壓應(yīng)力與筋材擬設(shè)計(jì)間距的乘積，水平土壓應(yīng)力包括該深度填料填筑產(chǎn)生的水平土壓應(yīng)力、該深度車輛/人群等附加荷載產(chǎn)生的水平土壓應(yīng)力以及該深度墻頂上方填料換算成均布荷載產(chǎn)生的水平土壓應(yīng)力，即：

Ti=（r1zi+r2h+∑Δσv）Ka（int）Sv（1）

筋材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度強(qiáng)度應(yīng)滿足式（2）要求。

Timax≤Ta（2）

即筋材受到的最大水平拉力不大于筋材長(zhǎng)期設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.3.1.2 內(nèi)部整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定分析采用簡(jiǎn)化畢肖普法，通過(guò)MacStars軟件進(jìn)行計(jì)，并計(jì)算出最不利滑面安全系數(shù)。

安全系數(shù)計(jì)算值為穩(wěn)定力矩與下滑力矩的比值：

K=∑M穩(wěn)定/∑M下滑（3）

當(dāng)滑動(dòng)面位于加筋體區(qū)域內(nèi)時(shí)可增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，將滑動(dòng)面后筋帶產(chǎn)生的摩阻力、滑動(dòng)面前筋帶所產(chǎn)生的摩阻力和筋帶的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度三者的最小值對(duì)滑動(dòng)面圓心取矩作為穩(wěn)定力矩。

其安全系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（4）：

K=∑（cibi+Wicosαitanφi）+∑Pjcosθj∑Wisinαi（4）

由于計(jì)算過(guò)于繁瑣，采用計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算。

其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

3.3.2 整體穩(wěn)定性分析

MacStars軟件在進(jìn)行整體穩(wěn)定分析時(shí)，常用方法是簡(jiǎn)化畢肖普法和簡(jiǎn)布法，其計(jì)算原理和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相吻合。畢肖普法僅適用于圓弧滑動(dòng)面，簡(jiǎn)布法適用于非圓弧滑動(dòng)面的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析。設(shè)計(jì)填方路基段基礎(chǔ)及墻后填土分布較均勻，采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。

其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3.3.3 外部穩(wěn)定性分析

擋墻的外部穩(wěn)定性計(jì)算內(nèi)容與混凝土擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算一致，包括土壓力、傾覆、滑移以及基底壓應(yīng)力驗(yàn)算，計(jì)算過(guò)程中將加筋體視為剛體。經(jīng)MacStars計(jì)算綠色加筋格賓擋墻基礎(chǔ)承載力最大要求為240 kPa。

其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）綠色加筋格賓擋墻墻體材料為無(wú)污染的低碳排放材料，面墻可實(shí)現(xiàn)全斷面綠化，生態(tài)景觀性好，符合“低碳、綠色”新交通發(fā)展理念，使工程和環(huán)境完美的結(jié)合。

（2）綠色加筋格賓擋墻主體為填料，對(duì)基礎(chǔ)承載力要求較低，在穿越基本農(nóng)田等低承載力路段，基礎(chǔ)無(wú)須處理或簡(jiǎn)單處理，綜合造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

（3）綠色加筋格賓擋墻作為柔性加筋土擋墻，抵抗地基不均勻沉降能力更強(qiáng)，適合在軟土地區(qū)運(yùn)用。

（4）綠色加筋格賓擋墻主體填筑施工與路基填筑施工工藝一致，道路沉降變形可控，滿足規(guī)范要求。

（5）大間距高強(qiáng)聚酯格柵加筋系統(tǒng)，能有效降低工程成本，改善加筋路基范圍內(nèi)土體的物理力學(xué)性能，提高路基整體安全穩(wěn)定性。

（6）MacStars是一款用于加筋擋土墻設(shè)計(jì)的專用計(jì)算軟件，能有效地進(jìn)行項(xiàng)目方案整體控制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中起到很好的輔助作用。

參考文獻(xiàn)：

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