包裹式加筋土挡土墙的工作原理及在工程中的使用

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2011-02-26 14:42:21  更新时间：2022-04-15 15:53:25

　　摘要：在土体中铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材结合成一复合土体(加筋土)。此时在复合土体的表面施加荷载，由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(咬合力)，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。从而使复合土体的承压能力得到提高。

　　关键词：加筋材料，摩阻，承压能力

　　加筋土结构最早在公元前2500年由古罗马人开始使用于工程实践中，他们将纺织的芦苇混合在土中用于在软土地基上修路。我国在汉武帝年代也用草枝混杂在土体中筑造长城。从我国现存于甘肃省境内的古长城遗迹和位于河北省的清东陵香妃墓结构中我们可以看到应用于我国古代的加筋土结构。

　　我国古代所修的加筋土结构其所用加筋材料基本上是天然纤维，而且完全依靠经验来指导实践。20世纪的60年代，法国工程师维德尔(H•Vidal)开创了加筋土技术的理论，并为以镀锌金属条带做加筋材料的土体加筋提供了一套分析计算方法。到70年代后期，随着化纤工业的发展，相继出现了很多土工合成材料产品，并在岩土工程中得到广泛应用，开始逐渐代替了金属加筋材料。

　　土工合成材料耐酸、碱、盐作用，在水下不易腐蚀，有好的耐久性;透水的加筋材料有一定排水功能，有助于消减孔隙水压力，提高材料与周围土体之间的相互作用，增加界面磨擦力;材料的部分排水直接提高土的抗剪强度。

　　一、 加筋土结构的工作原理

　　土体具有一定的抗压强度，但抗剪强度很低。即土体受压时，允许的侧向变形愈小，它能承受的压力将愈高，所以，要提高土的承压能力，可以设法减小其侧向扩张。其原理如同垒砌司诺克球，下图为双向格栅加筋原理示意。

　　加筋土正是利用了这一原理。在土体中铺设水平方向的加筋材料，将土压实后，土与加筋材结合成一复合土体(加筋土)。此时在复合土体的表面施加荷载，由于加筋材与周围土之间有较大的摩阻力(咬合力)，限制了土的侧向变形，相当于在土体侧面上施加了约束力。从而使复合土体的承压能力理所当然得到提高。

　　二、 加筋用土工合成材料

　　加筋土中的加筋材料通常采用织造土工格栅、土工网、土工格室以及土工布等。现有的加筋材料中，土工格栅强度较高，同时具有较低的延伸率，可用于修建高陡边坡及重要工程，是较为理想的加筋材料。

　　1、土工格栅

　　土工格栅是由冲孔的聚丙烯或高密度聚乙烯板材进行拉伸而成的长方形或方形孔的格栅状材料。加热拉伸是让材料中的高分子定向排列，以获得较高的抗拉强度和较低的延伸率。按拉伸方向不同，格栅分为单向拉伸和双向拉伸两种。前者在拉伸方向上有高强度，后者在两个拉伸方向上都有较高强度。

　　2、土工网

　　?土工网是应用热塑挤出法生产的具有较大孔径和较大刚度的平面结构材料。土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高，是土工格栅的早期产品。

　　??这类产品常用于坡面防护、植草、软基加固垫层，或用于制造复合排水材料。一般说来，它只有在受力水平不高的场合，才能用于加筋。

　　3、土工格室

　　土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带，每隔一定间距以强力焊接而形成的网状格室结构。典型的条带厚1.2mm、宽100mm，每隔300mm进行焊接。闭合和张开时的形状如图1-11。格室张开后，可填以土料，由于格室对土的侧向位移的限制，可大大提高土体的刚度和强度。它可用于处理软弱地基，增大其承载力，沙漠地带可用于固沙，还可用于护坡等。

　　三、加筋土工程实例

　　由我主持设计的东六环西侧路工程采用了包裹式加筋土挡土墙，这里结合该工程实际情况简单介绍下加筋土挡土墙的设计过程。

　　(一)工程概况

　　东六环西侧路南起京津公路，北至潞河大街，东六环西侧路道路全长约6.5公里，道路规划红线宽40米。规划为城市次干路，计算行车速度为50km/h。该工程道路上跨张家湾铁路专用线及北运河，这两处桥梁的引道均采用土工格栅包裹式加筋土挡土墙，挡墙长度约1190m。挡墙高度范围为0~8m，为使坡脚收在道路规划红线以里，挡墙坡度采用1：0.75。

　　东六环西侧路道路与排水工程场地位于通州区东北部，地貌单元为潮白河、温榆河近代冲积平原，其上部为较厚的新近沉积土层，以中、细砂层为主，间夹粉砂及低液限粉土，下部中、粗砂层为主，夹少量薄层碎石土和低液限粉土。根据场地工程地质调查、钻探和土工试验结果，按地层的沉积时代和成因类型将勘探深度范围内的地基土层划分为第四纪人工堆积土和第四纪沉积层两大类。

　　第四纪人工堆积土层，杂色，主要由耕植土和人工垃圾，含低液限粉土等，池塘附近局部有较厚的淤泥层发育。

　　第四纪沉积层，灰色，灰黄色，褐黄色，主要由低液限粉土，粉砂和细砂组成，底部为细砂层，土质较均匀，分布稳定，呈薄层状或中厚层状。

　　选用该种挡墙主要考虑到该工程位于北京近郊，东六环路的西侧，周围自然环境优美，郁郁葱葱，如采用城区内常见的装配式挡土墙则与环境不尽协调。采用包裹式加筋土挡土墙，内包裹装填耕植土的编织袋，建成三个月后即可形成植草绿化坡面，与自然景观融为一体，和谐美观。下图为工程竣工后照片。

　　张家湾铁路桥引道段加筋土挡墙现状(1)

　　北运河桥引道段加筋土挡墙现状(2)

　　(二)计算过程

　　挡墙设计各项参数为：地面均布超载Ptemp=20KN/m2;填土容重γ=20KN/m3;填土内摩擦角φw=28°、地基土内摩擦角φf=28°、φsg1=18.67°、φsg2=18.67°;墙顶倾角β=0.0°;α=53.13°。计算墙高7.2米。

　　1、外部稳定性验算

　　外部稳定性验算采用重力式挡墙的稳定验算方法验算墙体的抗水平滑动和地基承载力。

　　(1)抗水平滑动稳定性验算：

　　Fs=

　　式中

　　Ea=

　　f—墙底面摩擦系数

　　f=min(tan

　　f—地基土内摩擦角

　　w—填土内摩擦角

　　sg1—土工织物与地基土的摩擦角

　　sg2—土工织物与填土的摩擦角

　　sg1、sg2¬无实测值时，取0.8×min(tanw、tanf)。

　　Fs应大于1.5，实际求得Fs=1.68，满足要求。

　　1、 地基承载力验算

　　式中：

　　、

　　地基承载力满足要求。

　　2、内部稳定性计算(包括筋材强度验算和抗拔稳定性验算)

　　(1)筋材强度验算：

　　a.每层筋材均应进行验算。第i层单位墙长筋材承受的水平拉力Ti按下式计算：

　　式中：b.

　　—精致土压力系数;

　　—主动土压力系数。

　　(、计算过程见加筋土挡土墙计算表)

　　c.Ti应满足下式要求：Ta≥Ti

　　式中Ta—设计容许抗拉强度;

　　—铺设时机械破坏影响系数(1.1~2.0)，取1.1;

　　—材料蠕变影响系数(2.0~3.0)，取2.08;

　　—化学剂破坏影响系数(1.1~1.5)，取1.1;

　　—生物破坏影响系数(1.1~1.3)，取1.1;

　　T—由加筋材料拉伸试验测得的极限抗拉强度。

　　注：因为本工程采用TENAX某公司的加筋材料，该公司有较大的实验数据库，统计资料较为详实、全面，上述安全折减系数参考该公司技术支持提供数据，仅用于本工程。

　　计算成果见后附加筋土挡土墙计算表。

　　(2)筋材抗拔稳定性验算：

　　a.筋材抗拔力Ti应根据填土破裂面以外筋材有效长度Le与周

　　围土体产生的摩擦力计算，并符合下式：

　　式中—筋材层所受的土的垂直自重压力(kPa)

　　—超载引起的垂直附加压力(kPa);

　　f—筋材与土的摩擦系数，应由试验测定;

　　—筋材有效长度(m)，按破裂面以外的筋材长度确定;

　　要求Fs大于1.3，取为1.5。

　　计算得对比情况见加筋土挡墙计算表。

　　b.确定筋材长度时，第i层筋材长度Li应按下式计算：

　　图中1—破裂面;2—第i层筋材

　　Li=Lai+Lei+Lwi

　　式中L0i—第i层筋材滑动面以内长度(m);Lwi—第i层筋材端部包裹长度，应为包裹层厚度和不小于1.2米的转折长度之和(m)。

　　求得Li=6米。

　　3、计算成果表

　　对比选择最经济方案如下：

　　编号 筋材间距 层深 Ti 筋材提供 筋材规格 铺设长度

　　1 0.4 0.4 1.66 21.67 TT060 5.5

　　2 0.4 0.8 3.25 21.67 TT060 5.5

　　3 0.4 1.2 4.77 21.67 TT060 5.5

　　4 0.4 1.6 6.21 21.67 TT060 5.5

　　5 0.4 2.0 7.58 21.67 TT060 5.5

　　6 0.4 2.4 8.88 21.67 TT060 5.5

　　7 0.4 2.8 10.11 21.67 TT060 5.5

　　8 0.4 3.2 11.27 21.67 TT060 5.5

　　9 0.4 3.6 12.35 21.67 TT060 5.5

　　10 0.4 4.0 13.36 21.67 TT060 5.5

　　11 0.4 4.4 14.30 21.67 TT060 5.5

　　12 0.4 4.8 15.17 21.67 TT060 5.5

　　13 0.4 5.2 15.96 21.67 TT060 5.5

　　14 0.4 5.6 16.68 21.67 TT060 5.5

　　15 0.4 6.0 17.33 21.67 TT060 5.5

　　16 0.4 6.4 18.48 21.67 TT060 5.5

　　17 0.4 6.8 19.64 21.67 TT060 5.5

　　18 0.4 7.2 20.80 21.67 TT060 5.5

　　四、结束语

　　本文通过对包裹式加筋土挡墙工程实例进行分析,简要说明了加筋土挡墙的工作原理和设计方法,对加筋土挡墙的稳定性进行了验算,得出了以下结论:

　　1、土工格栅、土工网、土工格室等网格状加筋材料

　　应用于加筋土体的加筋机理都是通过网孔与土体的互锁作用限制土体侧向应变来提高土体的强度。其中土工格栅强度较高，延伸率较低，越来越多的应用于修建高陡边坡等重要工程。

　　2、加筋挡土墙的优势是土工合成材料有很强的韧性，吸收和分散能量的特性强，当结构体受到地震威胁时也能保持结构体的完整;工程造价比较经济;施工过程简单、方便。

　　3、包裹式加筋土挡土墙采用装填耕植后很快即可形成植草绿化坡面，生态环保优势非常明显，非常适用于景观要求高的工程。

　　参考文献：

　　【1】《公路加筋土工程设计规范》(JTJ015-91)

　　【2】黄小满,张源翀《某公路条带式加筋土挡墙的设计与讨论》

　　【3】王明江《加筋土挡墙施工及其施工控制要点》