臺階式加筋擋墻驗(yàn)算的對比分析

戴征杰，褚景英，陳麗麗，王旭龍

(青島旭域土工材料股份有限公司，山東青島 266111)

1 研究背景

加筋土擋墻以其對地基變形的良好適應(yīng)性，可就地取材、良好的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于巖土工程的各個領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，單級加筋土擋墻均不高，一般在12m以下。從保證穩(wěn)定性的角度考慮，規(guī)范對單級加筋土擋墻的墻高也作出了明確的規(guī)定。然而在特殊地形條件下，加筋土高擋墻在工程中的應(yīng)用越來越多。對超過12m的高擋墻，工程上多采用分級形式，這樣可較好地調(diào)整墻面的水平變形、減少墻面板對地基的應(yīng)力，并便于施工操作［1］。

臺階式加筋擋墻作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)FHWA文件，D≤(H1+H2)/20時，臺階式擋墻作為一整體進(jìn)行驗(yàn)算;當(dāng)(H1+H2)/20＜D≤H2tan(90°－Φr)時，在下墻設(shè)計時應(yīng)把上墻作為超載進(jìn)行計算;當(dāng)D＞H2tan(90°－Φr)時，上下墻單獨(dú)設(shè)計，互不作用［2－3］。式中:D為平臺寬度;H1為上墻高度;H2為下墻高度;Φr為加筋擋墻填料的內(nèi)摩擦角。

本文以MSEW3.0設(shè)計軟件為工具，對雙級臺階式加筋擋墻不同平臺寬度、上下墻高度的變化以及采用綜合坡率法等幾種工況下的加筋土擋墻的穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行匯總，對比分析所需的筋材最小長度和最小強(qiáng)度變化，同時對比不同工況條件下計算穩(wěn)定所需筋材最小用量，用以評估較為經(jīng)濟(jì)的筋材布置形式。

2 平臺寬度變化對加筋的影響

以高度為20m的土工格柵加筋擋墻為例，通過變化上下墻間預(yù)留的平臺寬度對比分析其對加筋的影響。

2.1 對筋材長度的影響

圖1 不同平臺寬度計算所需的底層格柵長度Fig.1 Geogrid length required at the bottom layer in the presence of different step widths for the computation

上下墻間的預(yù)留平臺寬度為1m時，計算所需下墻底層土工格柵的最小鋪設(shè)長度為11.87 m，上墻頂部所需土工格柵的最小鋪設(shè)長度為11.37 m。隨著平臺寬度的增大，下墻所需土工格柵的鋪設(shè)長度逐漸增加(如圖1所示)，上墻所需土工格柵的鋪設(shè)長度逐漸減小，土工格柵的最小鋪設(shè)長度出現(xiàn)在上墻中下部位置。

隨著平臺寬度的增大，作用于基底的豎向力的代數(shù)和ΣV逐漸減小，為保證加筋擋墻的抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)K為抗滑動穩(wěn)定安全s系數(shù);μ為基底與地基間的摩擦因數(shù);∑V為作用于基底的總豎向力;ΣH為作用于基底的總水平力)滿足要求，設(shè)計需要的底層土工格柵長度逐漸增大。

2.2 對地基承載力的影響

隨著上下墻間預(yù)留平臺寬度的增大，計算所要求的梅耶霍夫地基應(yīng)力逐漸減小，由平臺寬度1m時的537kPa減小到平臺寬度17 m時的242.49kPa。式中:σv為梅耶霍夫地基應(yīng)力;ΣV為作用于基底的總豎向力;L為底層格柵的長度;e為基底合力的偏心距。

2.3 對整體穩(wěn)定性的影響

臺階式加筋擋墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨著預(yù)留平臺寬度的增大逐漸增大，由平臺寬度1m時的整體穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.488提高到平臺寬度6m時的最小安全系數(shù)1.958。

2.4 對筋材數(shù)量的影響

當(dāng)平臺寬度1m時計算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為451.54m2，隨著平臺寬度逐漸增大到4m，計算所需土工格柵筋材數(shù)量減少到441.45m2。但是隨著平臺寬度的繼續(xù)增大，計算所需土工格柵筋材的數(shù)量逐漸增加，由平臺寬度4m時的441.45m2增加到平臺寬度17 m 時的637.77 m2。

圖2將不同平臺寬度計算所需的筋材用量進(jìn)行匯總，由此可以看出，在該算例中，當(dāng)平臺寬度為4m時，加筋擋墻計算所需的筋材用量最少。

圖2 不同平臺寬度計算所需的筋材用量Fig.2 Quantity of reinforcement material required in the presence of different step widths for the computation

2.5 對筋材強(qiáng)度的影響

上下墻間預(yù)留平臺寬度由1m增加到6m的過程中，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度不受平臺寬度的影響，數(shù)值無明顯變化。但是隨著平臺寬度的繼續(xù)增大，下墻土工格柵所需的強(qiáng)度逐漸減小，上墻土工格柵所需的強(qiáng)度數(shù)值無明顯變化。

3 上、下墻高度變化對加筋的影響

計算以總高度為20m、上下墻間平臺寬度為2m的土工格柵加筋擋墻為例，通過臺階式加筋擋墻的上、下墻高度的變化，分析其對筋材布置的影響。

3.1 對筋材長度的影響

由驗(yàn)算結(jié)果可以看出，當(dāng)上墻高度由8 m增加到12m時，下墻計算所需的土工格柵最小長度逐漸增大，而上墻計算所需的土工格柵長度逐漸減小，但長度變化幅度不大。

3.2 對地基承載力的影響

隨著上墻高度的增加，計算所需的地基承載力也逐漸減小。由上墻高度8 m時的502kPa減小到上墻高度12m時的461kPa。

3.3 對筋材用量的影響

當(dāng)上墻高度8 m時，計算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為447.5m2，隨著上墻高度逐漸增大到12m，計算所需土工格柵筋材數(shù)量減少到443.33 m2。土工格柵筋材的用量隨著上墻高度的加大而減小。

3.4 對筋材強(qiáng)度的影響

上下墻高度變化的過程中，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度數(shù)值無明顯變化。

4 臺階式擋墻和采用綜合坡率單級擋墻的加筋對比

計算以1～6m不同平臺寬度的臺階式加筋擋墻和對應(yīng)的綜合坡率單級加筋擋墻(以臺階式加筋擋墻的上墻頂端和下墻坡腳連線與水平面夾角為坡角的單級加筋擋墻)為例，通過穩(wěn)定驗(yàn)算對2種形式加筋擋墻的筋材布置進(jìn)行對比。

4.1 筋材數(shù)量的對比

平臺寬度為1m的臺階式加筋擋墻，計算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為451.54m2。對應(yīng)的綜合坡率單級加筋擋墻計算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量為449.2m2。圖3對比了1～6m的不同平臺寬度臺階式加筋擋墻和對應(yīng)的綜合坡率單級加筋擋墻筋材用量。由此可以看出，綜合坡率單級加筋擋墻比對應(yīng)的臺階式加筋擋墻所需的每延米土工格柵筋材的用量少，而且隨著平臺寬度的增加，采用綜合坡率單級加筋擋墻的土工格柵筋材節(jié)省量顯著增加。

圖3 臺階式加筋擋墻和對應(yīng)的綜合坡率加筋擋墻計算所需的筋材用量對比Fig.3 Comparison of reinforcement material quantity between the computations in the cases of tiered retaining wall and single-step retaining wall with a corresponding comprehensive slope ratio

4.2 所需筋材強(qiáng)度的對比

平臺寬度為1，2，3 m的臺階式加筋擋墻和對應(yīng)的綜合坡率單級加筋擋墻相比，每層土工格柵所需的最小強(qiáng)度無明顯變化。但是隨著平臺寬度的繼續(xù)增大，計算所需的每層土工格柵的最小強(qiáng)度逐漸減小。

4.3 地基承載力的對比

由驗(yàn)算結(jié)果可知，1～6m平臺寬度的臺階式加筋擋墻和對應(yīng)的綜合坡率單級加筋擋墻計算所需的地基承載力值基本相同。

5 結(jié)語

采用加筋擋墻設(shè)計軟件MSEW 3.0，對臺階式加筋擋墻不同平臺寬度等的加筋土擋墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，對比分析計算所需筋材長度和所需筋材強(qiáng)度的變化以及不同邊界條件時所需土工格柵筋材用量的不同。通過以上算例的分析，初步得出以下結(jié)論:

(1)隨平臺寬度的增大，下墻所需土工格柵的鋪設(shè)長度逐漸增加，上墻所需土工格柵的鋪設(shè)長度逐漸減小，土工格柵的最小鋪設(shè)長度出現(xiàn)在上墻中下部位置。

(2)隨平臺寬度的增大，計算所要求的地基承載力值逐漸減小。

(3)一定范圍內(nèi)，隨平臺寬度的增大，計算所需的每延米擋墻土工格柵筋材的數(shù)量逐漸減少;但是隨著平臺寬度的繼續(xù)增大，計算所需土工格柵筋材的數(shù)量逐漸增加。

(4)土工格柵筋材的用量隨上墻高度的增大而減少。

(5)綜合坡率單級加筋擋墻比對應(yīng)的臺階式加筋擋墻所需的每延米土工格柵筋材的數(shù)量少，而且隨著平臺寬度的增加，采用綜合坡率單級加筋擋墻的土工格柵筋材節(jié)省量顯著增加。

致謝:感謝石家莊鐵道大學(xué)楊廣慶老師在本文寫作過程中給予的指導(dǎo)。

［1］楊廣慶，蔡 英.多級臺階式加筋土擋土墻試驗(yàn)研究［J］.巖土工程報，2000，22(2):254－257.(YANG Guang-qing，CAI Ying.Study on the Multi-steps Reinforced Earth Retaining Wall［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22(2):254－257.(in Chinese))

［2］FHWA-NHI-00043，Mechanically Stabilized Earth Wall and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines［S］.Wahington，D.C:U.S.Department of Transportation and Federal Highway Administration，2001.

［3］凌天清.中國高速公路第一高墻的設(shè)計回顧［C］∥第二屆全國土工合成材料加筋土學(xué)術(shù)研討會論文集.北京:中國鐵道出版社，2009:89－97.(LING Tian-qing.The Design Reviews of the Highest Reinforced Retaining Wall in China Highway［C］∥Proceedings of the 2nd National Geosynthetics Reinforcement Seminar.Beijing:China Railway Publishing House，2009:89－97.(in Chinese))