綠色加筋格賓擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

劉澤，楊果林，申超，徐健楠

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

傳統(tǒng)邊坡設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是如何保證邊坡的穩(wěn)定性，采用抹面、噴漿、漿砌片石護(hù)墻、錨注等護(hù)坡技術(shù)來(lái)提高邊坡的安全系數(shù)。隨著人們對(duì)工程建設(shè)的環(huán)境保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)與景觀營(yíng)造等生態(tài)因素的重視，

邊坡的生態(tài)功能和穩(wěn)定性已具有同等重要的意義，生態(tài)型的護(hù)坡技術(shù)[1]受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。綠色加筋格賓擋墻是由意大利Maccaferri公司在加筋格賓擋墻基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種集加筋與生態(tài)綠化于一體的新型支擋技術(shù)。擋墻以經(jīng)鍍鋅(鉻)并覆塑的雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)為筋材，將筋材反包形成面墻，墻面坡角一般為65°或70°，并在面墻網(wǎng)面后加配鋼筋網(wǎng)板和三角支架以增加面墻剛度。面墻鋼絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)板間鋪有椰棕植生墊，施工時(shí)采用人工植入枝條或噴播藤曼草種，稍加養(yǎng)護(hù)后即可快速形成坡面綠化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與周圍自然環(huán)境的和諧統(tǒng)一。綠色加筋格賓單元一般采用工廠化生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)只需簡(jiǎn)單裝配即可填筑施工。綠色加筋格賓擋墻的基本元素是雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)，這種筋材料具有耐腐蝕、無(wú)蠕變、筋孔面積比小、與填料間的咬合嵌固作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，美、意、法、泰等國(guó)開(kāi)展了大量的研究。Lo等采用不同的填料對(duì)雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)進(jìn)行拉伸、拉拔、直剪等試驗(yàn)，研究了雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)的加筋機(jī)理、筋土界面特性以及抗拔力的計(jì)算方法[2-5]。Bergado等[6]以雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)為筋材，以曼谷地區(qū)的粉砂為填料，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)研究了加筋路堤的作用機(jī)理；Bergado等[7]以室內(nèi)拉拔試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)為基礎(chǔ)，考慮加筋體剛度、回填土性質(zhì)、筋土界面作用、地基性質(zhì)等影響因素，利用SAGE CRISP程序模擬足尺加筋試驗(yàn)擋墻，提出平面應(yīng)變條件下軟土地基上雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)加筋粉砂路堤的作用機(jī)理與計(jì)算方法。在實(shí)際工程中，已建成許多綠色加筋格賓擋墻，如意大利埃莫拉 F1汽車賽道采用綠色加筋格賓擋墻有效地解決新舊路面不均勻沉降問(wèn)題，該擋墻長(zhǎng)170 m，最大高度達(dá)10.80 m；南非菲尼克斯山區(qū)公路采用綠色加筋格賓擋墻方案不僅解決山區(qū)公路沉降變形問(wèn)題，而且節(jié)約工程造價(jià)15%。2000年泰國(guó)國(guó)王宮殿旁山體因水庫(kù)滲水出現(xiàn)滑坡，采用綠色加筋格賓擋墻處治后不僅保證了山坡的穩(wěn)定性，而且營(yíng)造出與宮殿相協(xié)調(diào)的優(yōu)美環(huán)境；2007年，KwaZulu-Natal海岸防護(hù)工程也采用綠色加筋格賓擋墻方案[8]。雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)筋材及相關(guān)結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還比較少，楊果林等對(duì)其開(kāi)展一系列的室內(nèi)模型試驗(yàn)[9-11]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是最好的足尺試驗(yàn)，不僅沒(méi)有室內(nèi)模型試驗(yàn)的相似性問(wèn)題，也無(wú)需考慮邊界影響，能夠反映加筋土結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作性態(tài)。國(guó)內(nèi)外的專家都非常重視現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，如楊廣慶等[12-14]等開(kāi)展了加筋土擋墻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。但這些研究主要集中在混凝土澆注式或模塊式面墻的土工格柵加筋土擋墻上。而針對(duì)綠色加筋格賓擋墻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)報(bào)道。在此，本文作者以浙江紹興—諸暨高速公路(即紹諸高速公路)K38+398斷面為試驗(yàn)工點(diǎn)，對(duì)綠色加筋格賓擋墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

1 工程概況與試驗(yàn)方案

紹諸高速公路K38＋325～K38＋485段位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的諸暨市楓橋鎮(zhèn)內(nèi)，左側(cè)為受構(gòu)造影響嚴(yán)重、巖體裂隙發(fā)育的山坡，右側(cè)緊臨交通繁忙的紹大線(浙江紹興—大唐，S31)。為提高路基的穩(wěn)定性，減少耕地占用和節(jié)約工程造價(jià)，營(yíng)造優(yōu)美的公路景觀，采用綠色加筋格賓擋墻方案。擋墻所用筋材的規(guī)格及力學(xué)性能見(jiàn)表1。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇里程為K138+398斷面進(jìn)行研究。該斷面墻高10.63 m，設(shè)計(jì)有13層層高為0.76 m的綠色加筋格賓單元，墻面坡比為1:0.466，斷面設(shè)計(jì)及測(cè)試元器件的埋設(shè)位置見(jiàn)圖1，測(cè)試內(nèi)容和相應(yīng)的元器件見(jiàn)表2。由于雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)的筋肋為折線形，柔性位移計(jì)在安裝時(shí)應(yīng)先根據(jù)標(biāo)定長(zhǎng)度在筋材網(wǎng)面上選取位于同一直線上的2股鋼絲作為安裝位置，給柔性位移計(jì)設(shè)定1個(gè)初始位移后將其安裝基座固定在鋼絲上，如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從施工之初就開(kāi)始。擋墻施工進(jìn)展較快，不到2月即完成。圖3所示為施工進(jìn)程圖。擋墻施工結(jié)束后，測(cè)試工作還在進(jìn)行，一直延續(xù)到道路的正常營(yíng)運(yùn)。

圖1 監(jiān)測(cè)元件布置圖Fig. 1 Arrangement of instrument on section

圖2 柔性位移計(jì)的安裝Fig.2 Installation of flexible displacement meter

圖3 施工進(jìn)程圖Fig.3 Construction process

表1 筋材的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of reinforcement

表2 試驗(yàn)內(nèi)容與元器件Table 2 List of test items and corresponding components

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 基底不同方向的土壓力

擋墻開(kāi)始填筑前，預(yù)先在距墻趾1 m處的基底埋設(shè)了3個(gè)受力面不同朝向的土壓力盒：1個(gè)受力面向上，測(cè)量豎向土壓力；另一豎直放置，測(cè)量水平土壓力；還有 1個(gè)土壓力盒的受力面與水平面呈45°，測(cè)量擋墻內(nèi)沿45°方向的土壓力。3個(gè)方向的土壓力測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看到：擋墻剛開(kāi)始填瓷時(shí)，豎向土壓力迅速增大，其數(shù)值為填料容重與上覆填土厚度的乘積；水平土壓力和 45°方向的土壓力很小。隨擋墻高度增加，水平土壓力和 45°方向的土壓力增加很快；當(dāng)墻高達(dá)到一定高度后，后 2個(gè)方向的土壓力迅速增大，甚至比豎向土壓力還大。擋墻填筑完成后，3個(gè)方向土壓力的關(guān)系是：水平土壓力＞45°方向土壓力＞豎向土壓力?？梢?jiàn)：在綠色加筋格賓擋墻填筑過(guò)程中，墻趾附近基底土體的應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)了主軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，施工完成后最大主應(yīng)力的方向不是豎向而是水平方向。

圖4 基底土壓力的變化Fig.4 Change of earth pressure in base

加筋土擋墻通常被認(rèn)為是一種柔性支擋結(jié)構(gòu)，對(duì)地基的適應(yīng)性強(qiáng)，地基承載力要求不高，因而對(duì)基底土壓力的研究不多，僅有的研究也主要是針對(duì)豎向土壓力，對(duì)水平土壓力和 45°方向的土壓力基本上沒(méi)有考慮。試驗(yàn)研究[15]和有限元分析結(jié)果[16]都表明：加筋土擋墻作用在基底的豎向土壓力呈非線性分布，在墻趾下最小，隨著距面板距離增加，豎向土壓力逐漸增大，在距面墻 1/3L(L為加筋體寬度)處達(dá)到最大值。本文的綠色加筋格賓擋墻也可以看作1個(gè)加筋陡坡。邊坡穩(wěn)定性研究表明[17-18]：邊坡的潛在滑裂面可能會(huì)穿過(guò)基底的表層，然后在坡腳前方溢出，坡腳后方的土體會(huì)受到較大的水平推力，致使坡腳前方的土體可能出現(xiàn)向上隆起的現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果與理論研究有一致性。因此，進(jìn)行綠色加筋格賓擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮以豎向土壓力校核基底的承載力，還應(yīng)考慮水平向土壓力的作用。

2.2 墻內(nèi)豎向土壓力

圖5所示為墻內(nèi)豎向土壓力隨擋墻高度和時(shí)間的變化曲線。從圖5(a)可以看到：第2層筋材處的豎向土壓力隨填土高度的增加而增大；當(dāng)填筑高度H＜2.28 m時(shí)，在筋長(zhǎng)方向上豎向土壓力基本上均勻分布。擋墻高度增加帶來(lái)的豎向土壓力增長(zhǎng)在各測(cè)點(diǎn)處基本同步，小幅度波動(dòng)的主要原因在于施工時(shí)采用挖掘機(jī)攤鋪填料，挖掘機(jī)履帶對(duì)填料的碾壓不夠均勻；當(dāng)填筑高度H＞2.28 m時(shí)，豎向土壓力沿筋長(zhǎng)方向分布的非線性特征越來(lái)越明顯，曲線呈先增后減再增的波浪形，特別是靠近面墻側(cè)的豎向土壓力增幅很小。這主要是由于擋墻具有一定的坡度(65°)，產(chǎn)生卸荷作用，使得面墻附近位置的豎向土壓力增長(zhǎng)緩慢；隨著距面墻距離的增加，豎向土壓力迅速增大，曲線上升并在距墻面1.8 m處達(dá)到最大值后開(kāi)始減小，但在筋材末端又略有增大。

圖5(b)和圖5(c)所示分別為第6層和第10層筋材處的豎向土壓力變化曲線。通過(guò)分析可知：這2層筋材處的豎向土壓力在筋長(zhǎng)方向上也為非線性分布；受面墻坡度的影響，墻面附近的豎向土壓力增加緩慢，隨著距面墻距離的增加豎向土壓力迅速增大。與第 2層筋材處的豎向土壓力分布規(guī)模式不同的是：第6層和第10層筋材處的豎向土壓力沿筋長(zhǎng)方向呈雙峰形，第1個(gè)峰值位于筋長(zhǎng)1.8 m處，第2個(gè)峰值位于筋長(zhǎng)4.4 m處，而前者在筋長(zhǎng)4.4 m處出現(xiàn)不是波峰而是波谷。

豎向土壓力的非線性分布是受多種因素影響的結(jié)果。加筋區(qū)的豎向土壓力主要來(lái)自2個(gè)方面：一是上覆填土的重力，二是非加筋區(qū)側(cè)向土壓力產(chǎn)生的傾覆力矩，二者的綜合作用會(huì)使加筋區(qū)的豎向壓力呈梯形分布[13]：靠面板墻側(cè)的豎向壓力大，筋材末端的豎向壓力小。但由于綠色加筋格賓擋墻的墻面具有一定的坡比，產(chǎn)生了卸荷作用；同時(shí)由筋材和鋼筋網(wǎng)板構(gòu)成的面墻剛度較小，面墻在側(cè)向土壓力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，引起應(yīng)力釋放，使得靠近面墻側(cè)的豎向土壓力減小，這就造成加筋區(qū)的豎向土壓力在筋長(zhǎng)方向上呈“兩端小、中間大”的分布形態(tài)。另外，豎向土壓力還受到平面網(wǎng)狀筋材的膜效應(yīng)、粗顆粒填料拱效應(yīng)的影響，因此，墻內(nèi)不同高度豎向土壓力的實(shí)測(cè)分布形式有一定差異，但總體上都是兩端小、中間大。這種規(guī)律不同于常用的豎向土壓力分布模式(均勻分布、梯形分布和梅氏分布)，而豎向土壓力的分布模式直接影響到筋材抗拉與抗拔安全系數(shù)計(jì)算。因此，有必要對(duì)綠色加筋格賓擋墻的豎向土壓力計(jì)算模式進(jìn)行深入研究。

圖5還給出了3層筋材處豎向土壓力隨時(shí)間的變化曲線。由于擋墻施工很快，天氣較好時(shí)1 d填筑1層，所以，施工期內(nèi)的豎向土壓力增長(zhǎng)很快。施工結(jié)束后，隨著填料中多余水分逐漸被排出和筋土間應(yīng)力應(yīng)變的自我調(diào)整，3層筋材處的豎向土壓力都出現(xiàn)略減小的現(xiàn)象。隨時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，各位置的豎向土壓力基本穩(wěn)定。

2.3 面墻后的水平土壓力

圖6所示為面墻后水平土壓力隨填土高度增加的變化曲線。從圖6可以看到：面墻后水平土壓力隨擋墻高度的增加先是快速增加，當(dāng)上覆填土達(dá)到一定高度后又出現(xiàn)小幅度減小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況可分析其原因。由于擋墻施工進(jìn)度快，上覆荷載的快速增加造成面墻后的水平土壓力也迅速增大；但受大型碾壓設(shè)備工作范圍的影響，面墻附近的填料只能采用小型夯機(jī)振動(dòng)壓實(shí)，壓實(shí)度要比其他地方的??；隨著擋墻填筑高度增加和時(shí)間延長(zhǎng)，面墻附近的填料在上覆土壓力的作用下逐漸被壓實(shí)，面墻逐漸產(chǎn)生側(cè)向變形，帶來(lái)一定的卸荷作用，使得面墻后的水平土壓力小幅度減小。

圖7所示為擋墻施工結(jié)束后，面墻后水平土壓力沿墻高的分布曲線。從圖7可見(jiàn)：面墻后的水平土壓力沿墻高呈鼓脹式分布，最大值出現(xiàn)1/3H處(H為墻高)；面墻后側(cè)向土壓力比較小，遠(yuǎn)小于朗肯土壓力和庫(kù)侖土壓力，比其他形式的加筋土擋墻面墻后實(shí)測(cè)水平土壓力也要小。因此，綠色加筋格賓擋墻的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單套用現(xiàn)有的各種土壓力理論。

圖5 墻內(nèi)豎向土壓力隨墻高和時(shí)間的變化Fig.5 Development of vertical earth pressure with wall height and time

2.4 筋材的拉應(yīng)變

圖8所示為第2，4，5，8和10層筋材的拉應(yīng)變隨擋墻高度增加的變化曲線。分析圖8可知：各層筋材的拉應(yīng)變?cè)诮铋L(zhǎng)方向上都呈非線性分布；除第4層外，各層筋材的拉應(yīng)變都是在面墻附近最大，沿筋長(zhǎng)方向由外向里逐漸減小，在筋材的后部又略有增大。這種模式與常規(guī)加筋土擋墻筋帶拉應(yīng)變先增加后減小的分布規(guī)律是不同的。這主要是由于綠色加筋格賓單

元采用反包結(jié)構(gòu)，對(duì)側(cè)向鼓脹變形的填料形成一個(gè)網(wǎng)兜；隨著擋墻高度增加，面墻后的水平土壓力增大，面墻側(cè)筋材的“網(wǎng)兜”效應(yīng)也越明顯。從而，筋材的拉應(yīng)變?cè)娇拷鎵υ酱蟆?/p>

圖6 面墻后水平土壓力隨墻高的發(fā)展變化Fig.6 Development of lateral earth pressure with wall height

圖7 施工結(jié)束后水平土壓力沿墻高的分布曲線Fig.7 Distribution of lateral earth pressure along wall height

圖8 筋材拉應(yīng)變隨填土高度增加的變化曲線圖Fig.8 Distribution of reinforcement strain with wall height

從圖8還可以看到：同一層筋材的拉應(yīng)變分布模式在擋墻高度增加時(shí)基本不變，拉應(yīng)變曲線簇的大部分位置都重合在一起，僅在靠近面墻的部分長(zhǎng)度內(nèi)各條曲線的差值比較明顯，且由外向內(nèi)這種差值很快減小，這表明因擋墻高度增加而增大的筋帶拉力影響范圍不是很大。這主要是由于雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)與填料間有著良好的咬合、摩擦作用[9]，將由面墻傳遞的土壓力迅速轉(zhuǎn)移到填料內(nèi)部。對(duì)比位于擋墻不同高度處筋材的拉應(yīng)變分布曲線可知：擋墻上部筋材的拉應(yīng)變要比下部筋材的拉應(yīng)變小，最大拉應(yīng)變小于 2%。由此可知：擋墻的設(shè)計(jì)是合理的。

第4層筋材的拉應(yīng)變分布規(guī)律明顯與其他筋材的拉應(yīng)變分布規(guī)律不同，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在距面墻1.8 m處，在筋長(zhǎng)方向上呈波浪形，而且波動(dòng)幅度較大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是：第1～3層填料采用原地面開(kāi)挖出來(lái)的黏性土填筑，填料顆粒細(xì)而且均勻；當(dāng)填筑到第4層時(shí)，考慮到優(yōu)質(zhì)黏性土不多，且設(shè)計(jì)要求靠近墻面1 m范圍內(nèi)必須以黏性土為填料以保證墻面植被的正常生長(zhǎng)。施工方擔(dān)心黏性土不夠，于是，以附近隧道開(kāi)挖所形成的碎矸石為填料，顆粒粗且顆徑差別大，一些超大粒徑(最大值達(dá)60 cm)的塊石料也被混進(jìn)來(lái)。若這種超大粒徑填料剛好被放置在柔性位移計(jì)的周圍，必然會(huì)對(duì)測(cè)量值造成很大的影響。加筋土擋墻施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)填料的粒徑進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則可能對(duì)筋材造成嚴(yán)重?fù)p傷。

試驗(yàn)時(shí)在第12層筋材上也布置有柔性位移計(jì)。由于導(dǎo)線連接的問(wèn)題，部分柔性位移計(jì)沒(méi)有讀數(shù)，以致沒(méi)能獲得這一層筋材的拉應(yīng)變分布規(guī)律。

2.5 加筋體的變形

為測(cè)量加筋體的側(cè)向變形，試驗(yàn)時(shí)在第1，3，5，7和9層填土內(nèi)埋設(shè)了水平土應(yīng)變計(jì)。土應(yīng)變計(jì)的一端與墻面鋼絲網(wǎng)相連，另一端用卡板和水泥錨固在墻后未開(kāi)挖的土體或未加筋的填料內(nèi)。

圖9所示為各層加筋體側(cè)向變形隨時(shí)間的變化曲線。從圖9可以看到：各層加筋體的側(cè)向變形主要產(chǎn)生于上部直接層填料的填筑期間。在施工現(xiàn)場(chǎng)也可以明顯看到：當(dāng)上部直接層填料被碾壓時(shí)，下層加筋體有明顯的側(cè)向位移，格賓單元的鋼網(wǎng)面板中部出現(xiàn)明顯的鼓脹變形；當(dāng)擋墻高度繼續(xù)增加時(shí)，已填筑加筋體的側(cè)向變形增長(zhǎng)較小，有時(shí)還可能略有減??；擋墻施工完成后，變形也基本穩(wěn)定?？梢?jiàn)，擋墻的變形主要產(chǎn)生于施工期，擋墻變形控制的關(guān)鍵時(shí)期也就是施工期。

圖10所示為施工完成后加筋體側(cè)向變形沿墻高的分布曲線。擋墻的側(cè)向變形呈鼓脹形，最大側(cè)向變形發(fā)生在1/3H處。與圖7相對(duì)照可知：圖10和圖7兩圖非常相似，最大側(cè)向變形發(fā)生位置也正是面墻后側(cè)向土壓力最大的位置。

圖9 加筋體側(cè)向變形隨時(shí)間的變化Fig.9 Lateral deformation development of reinforced body

3 結(jié)論

(1) 綠色加筋格賓擋墻在填筑過(guò)程中，墻趾附近基底土體的應(yīng)力狀態(tài)存在主軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。施工結(jié)束后，距墻趾1 m處基底土體的最大主應(yīng)力為水平土壓力而非豎向土壓力。

(2) 綠色加筋格賓擋墻墻內(nèi)豎向土壓力沿筋長(zhǎng)方向呈非線性分布，在擋墻下部為單峰形而在擋墻上部為雙峰形。由于墻面傾角的卸荷作用，綠色加筋格賓擋墻墻面附近的豎向土壓力較小。

(3) 綠色加筋格賓擋墻的筋材拉應(yīng)變?cè)诮铋L(zhǎng)方向上呈非線性分布，總體上是在面墻側(cè)最大，沿筋長(zhǎng)方向由外向里逐漸減小，在筋材末端又略有增大。

(4) 綠色加筋格賓擋墻面墻后的水平土壓力在施工期呈先增大后減小，沿?fù)鯄Ω叨确较蛞渤史蔷€性分布，最大水平土壓力的位置在1/3H處。面墻后的水平土壓力遠(yuǎn)小于理論主動(dòng)土壓力，也小于傳統(tǒng)面板加筋土擋墻面墻后的水平土壓力。

(5) 綠色加筋格擋墻的加筋體水平變形主要產(chǎn)生于直接上覆填料層的填筑期。加筋體側(cè)向變形沿?fù)鯄Ω叨瘸使拿浶?，最大值發(fā)生在1/3H處。

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