淺談加筋土在擋土墻中應用摘要：近2O年來，土工加筋技術有了迅猛的發(fā)展，世界各國已經建成或正在興建的各種加筋土工工程效以萬計。本文首先簡要加筋土擋墻的基本概念及加筋機理，接著介紹加筋土擋墻的設計方法和施工方法，最后，作者詳細介紹加筋土擋墻在土木工程中的應用。關鍵詞：加筋土擋墻；加筋機理；設計方法；施工方法；土木工程近2O年來，土工加筋技術有了迅猛的發(fā)展，世界各國已經建成或正在興建的各種加筋土工工程效以萬計。土工加筋方法的共同特點是在土工構筑物或原位土體中按一定的方向鋪設具有較高拉伸模量和抗拉強度的筋材，從而增強土體的穩(wěn)定性，提高土體強度和抵抗不均勻沉降以及限制水平位移的能力。加筋土是一種在土中加入加筋材料而形成的復合土。在土中加人加筋材料可以提高土體的強度，增強土體的穩(wěn)定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整個土工系統(tǒng)的力學性能得到改善和提高的土工加固方法，均稱為加筋技術，其所形成的結構亦稱為加筋土結構。1.加筋土擋墻的簡介加筋土擋墻一般由基礎、面板、加筋材料、填料、帽石等構成。在加筋土結構中，面板的作用是防止土體填料滑塌，使加筋材料與土體填料組成復合土體，用以防止加筋土體免遭侵蝕。加筋材料是加筋土結構的關鍵部分，一般按材質可分為四類，即：天然材料(如竹筋、柳條等．一般應用于臨時性工程)、金屬材料(如扁鋼帶、帶肋鋼帶、鍍鋅鋼帶、不銹鋼鋼帶等)、合成材料(如聚丙烯、聚乙烯、聚脂、尼龍、玻璃纖維等)和復合材料(如鋼筋混凝土帶、鋼塑復合加筋帶等)。在包固段加筋土擋墻設計中，為保證加筋材料具有抗拉強度大、變形小、耐久性強等要求。在加筋土填料的選用上，由于礫類土和砂類土力量，或改用摩擦系數(shù)大的填料，重新計算至滿足要求。力學性能較穩(wěn)定，受含水量影響較小，因此填料選擇砂礫、根據(jù)施工工藝調整筋帶長度。加筋土擋墻施工工藝簡單，施工質量容易控制。其面板的預制、加筋材料可采用工廠生產，在現(xiàn)場分層裝配施工，可使施工進度加快，縮短工期，并且節(jié)省勞動力。面板設計可根據(jù)需要采用各種圖案，配合環(huán)境實現(xiàn)路、景、物美觀協(xié)調。加筋土擋墻是柔性結構物，其抗振動性強，也是一種很好的抗震結構物。加筋土擋墻具有一定的柔性，可以結合軟基處理，應用于軟土地基工程。加筋土擋墻有如下特點：(1)柔性結構。能夠適應地基的一定變形．因而比重力式擋墻更適用于濕軟地基：具有一定的柔性．故抗震能力強；且節(jié)約用地，造形美觀。(2)面板可預制。拉筋帶可直接購買定型產品或現(xiàn)場預制，在現(xiàn)場進行裝配．填斟分層填筑，旋工簡便、快速。(3)造價較低。與重力式擋土墻比，可節(jié)省造價20-60％，并且隨墻高的增加其經濟效果越好。因此，它具有良好的經濟效益。2.加筋機理的研究目前，對土工合成材料加筋機理的研究包括：加筋材料的性能測試和界面試驗、模型試驗和原位觀測、土體與加筋材料相互作用的理論分析、工程設計計算等方面。但對加筋材料與土體相互作用機理及其設計計算理論的研究仍遠遠落后于工程實際應用，使工程應用尚缺乏必要的理論依據(jù)和指導。2.1加筋材料的性能測試和界面試驗目前常用的加筋材料有：土工織物、土工格柵、土工網、土工格室、復合土工織物等。性能測試主要分兩個方面：一是材料的力學性能測試，主要有拉伸試驗、頂破試驗、蠕變試驗等；二是填料與加筋材料的界面性能測試。2.2模型試驗和原位觀測模型試驗能在室內模型上觀測到實際工程的一些性狀，也可以對計算中的理論和數(shù)學物理模型進行驗證。探討土工合成材料加筋機理的模型試驗，大致可分成靜力模型試驗和離心模型試驗。靜力模型試驗是按一定的幾何尺寸設計模型，在施加外荷下觀測模型的變化。離心模型試驗是按一定的幾何比例N，將所要模擬的工程縮小，再在N倍重力加速度和離心加速度下進行試驗，觀測位移、應力、破壞面的形狀及其發(fā)展過程等一系列重要參數(shù)。原位觀測(現(xiàn)場觀測)是通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)來量測土工合成材料實際承受的拉力和應變。目前主要是在織物的面上粘貼應變片，由測得的應變來反推拉力。2.3土體與土工合成材料相互作用的理論分析由工程實踐和實驗研究表明，加筋土的強度和穩(wěn)定性比無筋土有較大提高，而對其提高的原因則有各種不同的假說和理論。迄今為止的研究表明筋、土間相互作用的機理大致可歸納為兩大類：一是摩擦加筋原理，二是準黏聚力原理。2.3.1摩擦加筋原理根據(jù)加筋土復合體中筋土之間的基本構造，在筋體中取一微段來分析，如圖1所示。微元體長為dL。拉筋左截面受力為，右截面受力為，壓拉藏的法向應力為。略去微元體土體的重量和筋帶重量。設筋、土之間的摩擦系數(shù)為f，b為筋帶寬度。由于土的水平推力．在該微元段拉筋所起的拉力為dT，則有：。設dF為土粒與拉筋在該微元段產生的總摩擦力，則有：。如果dF>dT，則筋土之間就不會產生相互錯動，即土的水平推力被筋土之間的摩擦力所克服，微元體保持穩(wěn)定，反之則不能保持穩(wěn)定。摩擦加筋原理概念明確，簡單，但是它忽略了在力的作用下筋帶的變形，也未考慮土是非連續(xù)介質、具有各向異性的特點。2.3.2準黏聚力原理這一原理是根據(jù)以砂土和水平布置一層或多層筋材的加筋砂土三軸試驗結果分析而提出的，如圖2所示。將加筋砂圓柱土樣和未加筋土樣進行三軸對比試驗可知，若未加筋砂士在大主應力和小主應力作用下達到極限平衡狀態(tài)，如圖2中的⊙1，而加筋砂土樣在同樣大小的作用下就達不到極限平衡，是處于彈性平衡狀態(tài)，如圖2中的⊙2。如果在試驗中我們對加筋砂土仍施以仍并保持不變，則欲使試樣達到新的極限平衡狀態(tài)勢必增大到．如圖2中的⊙3。許多學者的試驗研究證明：筋材在試驗中不被拉斷和滑動。僅其中的砂土被破壞，加筋砂上的破壞包線的內摩擦角與未加筋砂土的破壞包線的內摩擦角近似相等．且加筋砂土的破壞包線不通過坐標原點而與縱坐標軸相交，其截距為c，因此可知在砂土中加筋，改善了砂土的性能，使之增大了砂土的抗剪強度，相當于增加了一個黏聚力c，且稱c為準黏聚力。此時，達到破壞的最大主應力可表示為：在三軸試驗中，如果將加筋砂土樣視為無加筋砂土樣．則欲使其達到極限平衡狀態(tài)，則有：由上面各式得。此即為加筋砂土所增加的黏聚力。因此稱這個“粘聚力為“準粘聚力，這個理論為“準粘聚力理論”。3.加筋土擋墻的設計方法①首先根據(jù)擋墻的用途、所處路線位置處的路基計算。填高及路基橫斷面擬定加筋土擋墻的平面、縱斷面及橫斷面形式，初步確定一個核算斷面，筋體寬度一般取0．8H(H為擋墻高度)。②確定地基及填料的各項參數(shù)，以及作用于墻上的各項荷載。荷載包括土壓力和各種超荷載。將加筋范圍內的土體連同墻面板視為個剛性整體。與重力式擋土墻類似，確定作用于墻上的各項荷載。墻背垂直的擋土墻墻頂土面水平或傾斜土壓力，按朗肯土壓力理論計算。③進行內部穩(wěn)定性計算，它包括以下項目：a、根據(jù)筋帶的垂直與水平間距、荷載情況，計算筋帶所受拉力。b、根據(jù)筋帶的容許拉應力，驗算筋帶的抗拉強度，若不滿足時，則增加筋帶數(shù)量，或改用較高強度的筋帶，或改變筋帶的布設，重新計算直至滿足要求。C、根據(jù)初擬筋帶的長度、寬度，驗算筋帶的拉拔穩(wěn)定性，若不滿足要求，或增長筋帶長度，或增加筋帶數(shù)量，或改用摩擦系數(shù)大的填料，重新計算至滿足要求。d、根據(jù)施工工藝調整筋帶長度。④外部穩(wěn)定計算。此項計算包括加筋體沿底面的水平滑移、傾覆穩(wěn)定性、地基承承載力，以及整體滑移的計算。4.加筋土擋墻的施工方法4.1面板安裝(1)第一層面板安裝。在清潔的條形基礎頊面上準確劃出外緣線。定點進行水平測量，用低標號砂漿砌筑調平。安裝用人工或機械吊裝將面板就位。安裝時同層相鄰面板水平誤差不大于lOmm．軸線偏差每20m不大于lOmm。安裝縫為lOmm，安裝時單塊面板傾斜度一般可內頃～作為填料壓實時面板外傾的預留度。(2)以后各層面板的安裝。柑面板縱向每5m間距設標樁。每層都要用垂球和掛線方法核對安裝水平誤差用低標號水泥砂漿調平，其它同第一層。旋工中應注意每3層面板安裝完畢后均應測量其標高和軸線，其允許偏差與第一層相同。水平或傾斜的誤差運層調整，不得將誤差累積后再作總的調整；嚴禁采用硬石于及鐵片支墊，以免造成應力集中損傷面板。4.2筋帶鋪設(CAT鋼塑帶)將筋帶的一端從面扳上鋼筋預留孔中穿過折回與另一端對齊，成輻射狀鋪設在壓實整平的填料上。而后將筋帶拉緊(拉力保持一致)。再用少量填料壓住筋帶尾部(或預埋術磚用釘固定)，使之固定并保持正確位置。4.3填料的攤鋪、壓實(1)填料采用人工或機械分二次攤鋪，攤鋪厚度每層25cm。填料攤鋪要均勻一致，表面平整。并設向內的不小3％橫坡。在距面板1.5m范圍內必須用人工攤鋪。(2)施工中使用17t振動壓路機．每層攤鋪完成后及時碾壓．填產壓實度指標執(zhí)行(公路加筋土工程施工技術規(guī)范)。碾壓前要試壓，根據(jù)壓實機械和填料性質確定每層虛鋪厚度、碾壓遍數(shù)以指導施工。(3)應嚴格分展碾壓。碾壓時先輕后重，首先從筋帶中部開始。逐步碾壓至筋帶尾部。然后反方向碾壓。在距面板1m范圍內嚴禁用重型機械碾壓?？刹捎眯⌒蛪簩崣C械如蛙式夯和人工夯實相結合的方法夯實。以保證該區(qū)域內填料壓實度。(4)反濾層設置。攤鋪填料時，在距面板1m范圍內用砂礫料等透水性良好的材料做濾水層。以保證排水及防凍。施工中應注意運料、攤鋪機械行駛時與面板距離不小于1.5m．機械不得在未覆蓋填料的筋帶上行駛。不得擾動下層筋帶；壓路機不得急剎車。每10m設一道沉降縫，同時作為伸縮鞋?？p寬lcm。用瀝青木板填塞。加筋土擋墻施工中有關要求，檢測項目、方法和標準按(公路加筋土工程設計規(guī)范)和(公路加筋土工程旌工技術規(guī)范)執(zhí)行?；A、帽石為混凝土。板為鋼筋混凝土，具體施工方法及要求按相應規(guī)范執(zhí)行。5.施工注意事項(1)加筋面板必須采用鋼模板預制，做到表面平整，外光內實，外形輪廓清晰，線條順直，不得有露筋、掉角、啃邊現(xiàn)象存在；插銷孔必須精確定位，預留鋼拉環(huán)在彎制鋼筋前應進行除銹、涂防銹漆，并套上Ф20mm塑料套管防腐，塑料套管兩端應埋人混凝土內。(2)條形基礎應準確劃線立模澆筑，頂面應平整，面板安裝應嚴格掛線施工，面板間拼裝縫除預留伸縮縫和泄水孑L外均應做到灰滿縫嚴。(3)筋帶從面板預留拉環(huán)中穿過，折回與另一端對齊，嚴禁筋帶在環(huán)上繞成死結。筋帶應與面板垂直，并鋪設在向外傾斜1％橫坡的經壓實整平的填料上，筋帶不得重疊，應采用均衡自調式(帶彈簧)拉帶張緊器進行拉直。(4)加筋體的填料粒徑不宜大于填料壓實厚度的，且最大粒徑不宜大于10cm。填料應嚴格分層壓實，分層厚度應與拉筋的豎直間距相匹配，碾壓前填料攤鋪要均勻一致，表面平整。當用機械攤鋪時，攤鋪機械距面板不應小于1。5m，而距面板1．5m。范圍內，要用人工攤鋪。(5)加筋體填土壓實作業(yè)應先從筋帶中部開始逐步碾壓至筋帶尾部，然后再碾壓靠邊的面板部位，壓實機械距面板<1．0m，而距面板1．0m的范圍內，應用小型機械夯實，壓實系數(shù)<0．9。(6)加筋墻地基的允許壓應力應在澆筑條形基礎前進行監(jiān)測，條形基礎地基的允許壓應力應<250kPa。(7)加筋墻在涵洞處應注意做好銜接，在加筋體內的涵洞洞身外邊墻應保證直立，兩邊墻的外側面順墻面板方向的距離應為n(墻面板的塊數(shù))×0．75m。涵洞頂部容許壓應力<250kPa。涵洞頂部加筋墻墻高，可以用墻底條形基礎高度進行調整，以使前后加筋墻面板銜接，做到美觀、安全、可靠。(8)漿砌片石擋土墻長度可根據(jù)現(xiàn)場情況進行增減，以保持填方穩(wěn)定和不產生錐體為限。6.應用效果及應用推廣的前景6.1使用效果通過工程應用實踐看。加筋土擋墻施工工藝簡單、快捷。施工中不需要特殊施工機械。面板可提前預制。拉筋帶與面板的連接簡單。且具有良好的經濟效益。加筋土為一成熟技術。我國在1992年已制定了相應的設計及誘工規(guī)范，但現(xiàn)在一直未能推廣使用。究其原因，其一是缺少經驗；其二是筋帶問題。拉筋帶是加筋土關鍵的受力材料。合理地選擇拉筋材料，不僅能確保加筋工程安全和使用壽命，而且能降低工程造價。我國《公加筋土工程設計規(guī)范》要求：“筋帶應具有較高的強度，受力變形小．能與填料產生足夠的摩擦力；抗腐蝕性好；加工接長和與面板的連接簡單”。我國以往在加筋土工程中應用的筋帶有如下幾類：第一類為剛性拉筋。包括扁鋼、圓鋼、鍍鋅鋼帶及鋼筋混凝土帶等，其強度大、變形小，均為良好的拉筋材料。其特點是制作、接長和與面板連接工程量大。筋帶的防腐難以達到設計要求。并且造價較高；第二類是柔性拉筋。如聚丙烯土工程拉筋帶(簡稱PP帶)。它的優(yōu)缺點與鋼性拉筋相反。優(yōu)點為不需防腐、造價低及翻作加工簡單等。缺點為強度較低、變形大、受力后要發(fā)生徐變及易老化等，因而規(guī)范明確規(guī)定高速公路和一級公路不能使用。我們采用的接筋帶為“永固牌”CAT鋼塑復合材料拉筋帶。它的特點是集中了鋼性和柔性兩類拉筋的優(yōu)點而克服了其缺點，使用壽命長，價格便宜，該種拉筋帶的使用。為我們以后大面積推廣使用加筋土工程積累了經驗，創(chuàng)造了條件。6．2應用前景(1)加筋土擋墻較重力式擋墻工程造價低。在一些重山區(qū)，漿砌片、塊石擋墻大量使用。在工程總造價中占相當?shù)谋壤?，若采用加筋土擋墻則大大降低工程造價。