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加筋土挡土墙工作原理与造价分析
【摘 要】加筋土挡土墙是由填筑材料、填料中沿水平方向分层布置一定数量的拉筋带以及墙面板三部分组成,加筋土挡土墙是一种复合体结构,由于在填料中埋设柔韧性好、具有足够刚度和耐久性的筋带材料,改良了填料土的力学特性.因此,加筋土挡土墙与其它形式的挡土墙相比,具有良好的经济效益和推广价值.
【关键词】加筋土挡土墙原理；工程应用；经济效益
1.加筋土挡土墙概述
加筋土挡土墙是一种新型的复合挡土结构,它是由挡土墙的墙面板、拉筋材料和填筑同组成的.它是通过填筑材料与拉筋材料之间的相互作用,产生摩擦阻力,从而形成了一个复合的加筋土稳定体系,用来抵抗填料土体自重和外部荷载带来的土压力.它的作用机理同土钉墙结构比较类似,都是通过土体与就是拉筋材料或土钉材料之间的相互作用产生阻力形成复合支挡结构,拉筋材料与土钉材料均不施加预应力,其工作状态皆是被动的,其面板结构厚度较薄、受力较小.不同之处主要有,土钉墙结构主要应用于挖方地段,由挖方边坡自上而下进行施工,土钉体倾斜一定的角度.加筋土挡土墙结构主要应用于填方地段,填筑材料自下而上分层填筑,加筋条带一般按分层水平放置.与传统的重力式挡土墙相比,加筋土挡土墙作为一个柔性的复合结构,对地基承载力适应性远超过重力式挡墙结构,能更好地满足抗震需求；同传统的重力式支档结构相比,加筋土挡土墙的墙面板结构可提前预制,安装时可与填筑材料同步施工,这样大大缩短了施工工期；加筋土挡土墙结构简单、构造新颖、式样美观,挡土墙面板上可以绘制各种图案,可以根据周边环境和建筑结构的需要,协调组合进行配套设计,与传统的其他形式的挡土墙相比,加筋土挡土墙更具有艺术鉴赏力和艺术感染力；加筋土挡土墙的墙面板与地面垂直,这使得填筑材料在施工过程中不考虑放坡,这就大大减少了占地面积,在土地利用方面具有重要意义；加筋土挡土墙与其他结构形式的挡土墙相比,能节省大量的圬工数量,经济效益显著；因此,加筋土挡土墙结构无论在施工工艺和经济效益等多方面,与其他结构形式的挡土墙相比,都具有较明显的优势.被广泛地应用于支挡结构和填土的稳定体系当中,具体应用在支挡结构、护岸、水工码头、堤坝、地下结构、路堤、结构物台墙等；在工程领域中作为一种新型复合结构,加筋土结构在国际上被誉之为“继钢筋混凝土之后,又一项造福人类的新发明”.
2、加筋土挡土墙应用的基本原理
砂性土在不做加筋处理的情况下,土体在自身土重和外部荷载力作用下,产生出的土压力,很容易导致土体产生严重的变形或者坍塌,这是由于砂性土本身的力学特性决定的.如果我们在砂性土中,沿着土体产生应变的方向,分层水平设置具有一定强度和挠度的拉筋材料,那么由于砂性土与拉筋材料之间相互作用,土体与拉筋材料间就产生了摩擦阻力,使得砂性土在加筋后所形成了一个新的复合土体,与原来未加筋的原状土相比较,该复合土体新产生了某种程度的粘聚性,提高了土体的抗压强度和抗剪强度,从而使砂性土的力学性质大大改善.这就是加筋土挡土墙应用的基本原理.我们把这些基本原理归纳为两点进行分析解释：（1）摩擦加筋原理；（2）粘聚力原理.
2.1 摩擦加筋原理
加筋土挡土墙结构中,填筑材料料作为挡土墙结构的主体材料,在自身土重和外部荷载的作用下,产生了作用于挡土墙的墙面板的土压力,墙面板将此土压力传递给拉筋材料,对拉筋材料产生拉力,企图将拉筋材料拉出填料土体.但是,由于拉筋材料与填料之间产生的相互作用,填土与拉筋材料之间产生了摩擦阻力,阻止了拉筋材料从填料土体中被拉出.所以,我们选择了具有足够的强度和挠度拉筋材料,并且拉筋材料表面有花纹,使拉筋材料表面保持粗糙,拉筋材料与填料土体之间就产生了足够的摩擦阻力,摩擦阻力克服了填料土体产生的土压力,则加筋后形成的复合土体就可以保持稳定.
加筋土挡土墙中的拉筋材料常制成带状、相互间隔、分层水平地铺设在填料土体当中.如果填料土体具有足够的密实度,拉筋材料之间的间距布置得当,拉筋材料与土体间产生的摩擦阻力,就能使拉筋材料之间的土颗粒产生相互作用,从而形成了克服土压力的承压拱,使得填料与拉筋材料形成了一个稳定的复合土体.
使加筋土产生成拱效应的因素较为复杂,与
拉筋材料的选型、刚度、挠度、布置间距、填料的种类、填料压实度等因素密切相关.在拉筋材料的间距布置不当、拉筋材料刚度及挠度不足,填料选择不当、填料土的压实度不足等等不利因素作用下,加筋土就难以形成稳定的土拱,土体就会出现坍塌和侧移.加筋土挡土墙端部的填土难于形成土拱,为保证填料土体的稳定,我们在加筋土挡土墙的端部设置直立的墙面板,通过墙面板来约束不稳定的土体,并将填料土产生的土压力传递给拉筋材料.从而使加筋土挡土墙形成一个稳定的结构体系.
由于摩擦加筋原理的概念简单明了,加筋土挡土墙结构在支挡结构和填土的稳定体系当中被广泛地应用.
2.2 粘聚力原理
加筋土是一个复合的支挡结构体系,由于加筋土挡土墙结构中拉筋材料与填筑材料之间的相互作用,产生出来一种粘聚力,使得加筋后土体的抗压强度、抗剪强度得到明显提升.这一点我们可以从试验中得到验证.
未做加筋处理的砂性土体,本身的抗压强度和抗剪强度相对较弱,对未做加筋处理的砂性土体施加在竖向应力,在竖向应力作用下,土体在竖直方向产生了压缩变形,在水平方向产生了膨胀变形.随着竖向应力的不断加大,压缩变形和膨胀变形也随之加大,而砂性土体的侧向膨胀变形越大,土体就越容易遭到破坏.为了阻止这种情况的发生,我们在砂性土体中沿水平方向分层设置适量的拉筋材料,在同样的竖向应力作用下,其竖直方向的压缩变形和水平方向膨胀变形显著减小.这是由于水平拉筋材料与砂性土体之间产生的相互作用,将侧向膨胀变形产生的拉力传递给了拉筋材料,使土体侧向膨胀变形受到拉筋材料的约束,使加筋后的复合土体的强度增加,加筋的砂性土体产生了“粘聚力”,从而改善了加筋后砂性土的力学性质.新的复合土体中产生的“粘聚力”不是砂性土本身固有的,而是通过加筋处理产生的结果,所以我们将加筋土的这种原理,称为“粘聚力原理”.“粘聚力原理” 同“摩擦加筋原理”一样,与拉筋材料的选型、刚度、挠度、布置间距、填料的选择、填料压实度等因素密切相关.
3.加筋土挡土墙的结构
3.1 墙面板
加筋土挡土墙的墙面板根据采用的材料划分,有金属面板、混凝土面板和钢筋混凝土面板；根据面板的造型划分,有半圆形、半椭圆形、矩形、六边形、内凹形、L 形、十字形等组合式结构.加筋土挡土墙的墙面板可以预先制作,现场组合安装,不受施工进度的影响.挡土墙面板必须有足够的刚度,以防止拉筋间的填料被挤出,确保土体结构的稳定.面板边缘应设有企口和孔眼.并在孔眼中插入短筋,以方便挡土墙面板预制块体的组合安装.加筋土挡土墙面板每隔一定距离还应预留泄水孔.墙面板在安装时,向内倾斜适当的角度,以抵消填料土压力产生的变形.
3.2 拉筋
加筋土挡土墙是一个复合型的支挡结构体系,拉筋材料在这个支挡体系中,是整个加筋挡土墙结构安全和稳定的重要保障.因此,加筋挡土墙拉筋条带,应具备足够的抗拉强度；足够的柔韧性；拉筋表面要有粗糙的花纹,与填土间应保证有足够的摩擦阻力和粘聚力；为保证结构的使用寿命,挡土墙拉筋材料应具备足够耐腐蚀性、化学稳定性、抗老化性及搞疲劳性；拉筋条带还应低廉、便于加工制作.拉筋材料从材质上有刚性和柔性之分,主要有金属钢带、钢筋混凝土拉筋带、钢塑复合拉筋带材料、竹片材料、聚丙烯土工编织带材料、土工格栅等.其中钢塑复合拉筋带材料、聚丙烯土工编织带材料,出于其施工工艺简便快捷,为土木工程界广泛选用.对于拉筋材料要严把质量关,在加筋土挡土墙拉筋条带材料进场前后,必须按规范要求做抗断裂试验、搞疲劳性、耐久性等相关试验.加筋挡土墙拉筋条带与挡土墙面板之间的连接,必须完全满足加筋土挡土墙结构的力学要求及耐久性要求.
3.3 拉筋条与墙面板的连接
挡土墙面板与拉筋材料之间必须有坚固可靠的连接,同时连接部分还必须有与挡土墙拉筋材料相同的耐久性和抗腐蚀性.其连接方式包括焊接和螺栓连接,对于聚丙烯拉筋材料与墙面板的连接,可以采用接头拉环,也可以在墙面板上预留孔洞.埋在填料土中的接头拉环要做好防腐处理,一般都以浸透沥青的玻璃纤维布在接头拉环上缠绕两层进行防腐处理.
3.4 填料
加筋土挡土墙结构的主体材料是填筑材料,为切实保证拉筋材料与填料之间有可靠的摩擦阻力,必须选用易于填筑和压实的填筑材料,并且切实保证填筑材料对拉筋材料不具有腐蚀性.同时要随着拉筋带的铺设,分层压实填筑材料,切实保证填筑材料的密实度.填筑材料应选用级配良好的碎砾石类土及保证最优含水量及最大干密度的砂类土.
3.5 挡土墙基础
加筋土挡土墙基础结构一般为矩形,高为0.25-0.4 米,宽 0.3-0.5 米,采用混凝土灌注或用浆砌片石砌筑.为保证最底层墙面板的安装和出于对墙面板约束的考虑,可在基础顶面做一对应于墙面板安装的凹槽.基坑开挖的深度,必须保证基础顶面在冻结线和冲刷线以下,且埋置深度不小于 0.5 米.如遇土质斜坡地段,基础的趾部到斜坡的水平距离,应保证墙面板至斜坡边缘的水平距离不小于 1 米,从而保证基础结构不外露的要求.
3.6 沉降缝与伸缩缝
考虑到加筋土挡土墙地基的不均匀沉降,应每隔 10-20 米设置一道沉降缝,考虑到加筋土挡土墙本身结构的变形应设置伸缩缝,伸缩缝设置位置可与沉降缝一同考虑.挡土墙面板在设缝处应采用通缝,宽度 2-3 厘米,以沥青麻筋填缝,为保证施工质量和美观,在通缝的两侧采用对称布置的半块墙面板.
3.7 帽石与栏杆
出于约束墙面板的考虑,在加筋土挡土墙最上层墙面板的顶部设置帽石,帽石应突出墙面3-5 厘米,帽石材料为混凝土或钢筋混凝土.同时出于保证人身安全的考虑,在加筋土挡土墙上方,同其他形式的挡墙结构一样设置栏杆,挡墙栏杆高度为 1.5 米,栏杆柱底部设预埋钢筋,在灌注帽石混凝土时,将栏杆柱一同浇注于帽石中,切实保证栏杆的坚固.
4.工程实例分析
本工程为某新建铁路的 T 梁预制场地的建设工程,该地区属山岭重丘地区,梁场选址困难,为满足预制场面积及防洪需求,移挖作填进行制梁场地建设.制梁场填方段地面的设计高程,高于原地面高程近十余米,而梁场的外侧是乡间道路、农田及水塘沟渠,为保证预制场地填筑后,既有结构物和农田不被占压,需设置支挡结构.根据现场实际情况,设计了重力式挡土墙和加筋土挡土墙两种施工支护方案进行比选,其中重力式挡土墙的支护方案,对于高填方地段设计局限较大,挡土墙圬工数量达 3029 立方,挡墙高度为原地面以上 6 米,挡墙上方填土仍然需要按 1：1.5 的坡比放坡,填方放坡需挤占大量的农田,相应增加梁场临时用地 24 亩,并且要增加过水涵洞 140 米.而加筋挡土墙方案,设计高度为12 米,则无需增加临时用地数量和涵洞数量.经过技术、经济比较后,决定采用加筋土挡土墙方案.具体方案如下：
材料特性及设计参数
填料：砂性土；
拉筋带：钢塑复合拉筋带,破断拉力大于12KN,延伸率小于 1%；
墙面板：设计墙高为12米,使用了1.5m×0.5m 的矩形 C30 钢筋混凝土墙面板.基本设计参数列表如下：
该加筋土挡墙设计方案实施后,比较原重力式挡墙设计方案,节省填料 53843 立方米,减少临时用地 24 亩,减少过水涵洞 140 米,并缩短预制场地建设工期 25 天.重力式挡土墙与加筋土挡土墙施工成本情况比较如下：
（1）重力式挡土墙施工成本：
C25 混凝土 3029 立方,单价 550 元 / 立方,计 1665950 元；
1-φ1.5m 圆涵 140 横延米,单价 2200 元 / 横延米,计 308000 元；
增加临时用地 24 亩,单价 20000 元 / 亩,计 480000 元；
增加填方数量 53843 立方,单价 15 元 / 立方,计 807645 元；
沉降缝、帽石 , 计 63500 元
以上合计：3325095 元.（2）加筋土挡土墙的施工成本：
C25 混凝土基础 327 立方,单价 550 元 /立方,计 179850 元；
C30 钢筋砼墙面板 558 立方,单价 1380元 / 立方,计 770040 元；
钢塑复合拉筋带 36 吨单价 13000 元 / 吨,计 468000 元；
沉降缝、帽石、栏杆 , 计 165500 元
以上合计：1583390 元.
经方案比较：加筋土挡土墙设计方案,与重力式挡土墙设计方案相比,节约施工成本1741705 元,并缩短梁场建设工期 25 天.由此可见加筋土挡土墙的设计方案,产生了良好的经济效益,值得广泛的推广应用.
结语：
加筋土挡土墙是近年来应用和推广的新型支挡结构,其造型美观,节约用地,施工简便快速,与其他形式的挡土结构相比,能产生更多的经济效益,这对加筋土挡土墙结构的研究和实践具有重大意义.加筋土挡土墙作为一个新的结构形式,虽然发展迅速,但目前仍停留在有关的规范 ( 规程 ) 的建立和健全阶段,理论滞后于实践.近些年来,随着高速铁路工程等工程建设的不断发展,如列车提速、列车轴重的增加等因素对路基技术标准较以前有了较大的提高,对于加筋土挡土墙的理论研究将进一步深入,使其发挥更多的经济和社会效益.
参考文献：
［1］何春光 . 加筋土工程设计与施工 . 北京 :人民交通出版社 ,2000 年 4 月 .
［2］李海光等 . 新型支挡结构设计与工程实例 . 北京 : 人民交通出版社 .2004.02.
作者简介：
纪新伟,籍贯：山东省青岛市,出生日期：1965 年 6 月,学历：本科,职称：高级工程师.
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