（岩土工程专业论文）大窑湾高填土加筋土挡土墙设计及地基加固中若干问题探讨.pdf

大窑湾高填土加筋土挡土墙设计及地基加固中若干问遂探讨 学科、专业：水利工程，岩土工程 礤士研究垒：杨魏东 指导教师：褒茂田教授 王诺菠藏王 摘要 离填挡墙是土木工程中的不可回避的一类工程，它的设计理论 和方法都是工程界研究的热点，其中加筋土挡土墙是近些年来应用的一 种新型的挡土缩构。 饱霸粘性地基的处瑾方法有它盼特殊性，静年代懑现，年代 推广开的c f g 攘复合媲基是地基处理的毅技术，能够有效的提高饱和 粘性土地基的承载能力。 本文介绍的是大窑湾外拖箱场站挡土墙的选型和设计过程，应用的 恰好是加筋挡墙络梅，和c f g 穰逮基处理莪术。讨论了离漠挞 土墙鲸选型；魏麓挡土墙的王捧枧理；饱翻粘性地基处理方法选型； c f g 桩复合地基的设计；及复合地基下的挡土墙整体稳寇性。所有讨论 都结合大窑湾挡土墙的工程特点，所有的结论都在这个工程中直接应 蔫。 本文讨论中，隐含讨论了工程经游牲的原则积方法，最后本文对加 筋土挡土墙的发展作了预测。 关键谲：瓣筋土稳定饱和糖缝土缝基处瑾复合她基 a b s t r a c t r e t a i n i n gw a l lo fh i g h h i l li sak i n do f p r o j e c to f c i v i le n g i n e e r i n g i t s d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o di s af o c u si n e n g i n e e r i n g i ns p e c i a l l y r e i n f o r c e ds o i li san e w t y p e o f r e t a i n i n gs t r u c t u r e p r o c e s s i n gm e t h o d o fs a t u r a t e dc l a ys o i lf o u n d a t i o ni s v e r ys p e c i a l c f g c o m p o u n d e df o u n d a t i o no fp i l ef o u n d a t i o ni s an e w t e c h n i q u eo f d i s p o s a lf o u n d a t i o n i tc a n i n c r e a s eb e a r i n gc a p a c i t yo fs a t u r a t e d c l a ys o i l f o u n d a t i o n i nt h i s t h e s i s 1 e c t o t y p e a n dd e s i g no fo u t p u l l f i e l ds t a t i o no f d a y a o w a n a r ei n t r o d u c e dw i t hr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ea n d p r o c e s s i n gt e c h n i q u eo fp i l ef o u n d a t i o n l e c t o t y p eo fh i g hf i l ls o i lw a l l ， w o r k i n gm e c h a n i c so fr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l l ，p r o c e s s i n gm e t h o do f s a t u r a t e dc l a ys o i lf o u n d a t i o n ，d e s i g no fc f g c o m p o u n d e df o u n d a t i o n ， s t a b i l i t yo fr e t a i n i n gw a l l w i t hc o m p o u n d e df o u n d a t i o na r ed i s c u s s e d 。a i i t h i sa r ea p p l i e di ne n g i n e e r i n g i nt h i s t h e s i s ，p r i n c i p l e a n dm e t h o do fe n g i n e e r i n g e c o n o m ya r e d i s c u s s e di ni m p l i c a t i o n i nf i n a l l y , d e v e l o p m e n to fr e i n f o r c e dr e t a i n i n g w a l li sp r e d i c t e d k e yw o r d s ：r e i n f o r c e ds o i l ，s t a b i l i t y , s a t u r a t e dc l a ys o i l ，f o u n d a t i o n t r e a t m e n t ，c o m p o u n d f o u n d a t i o n 大连理王大学工穗壤士学位论文 第一章工程背景与研究意义 1 1 工程背景介绍 大窑湾外拖箱场站位于大密湾港外3 i 公里处的一块坡地上，在大窑湾港铁路分区车场 积避港公路锻港鼹之嬲，霹已经建凌豹海美集装魑查验中心穗盛大集装簇场蛙，一字舞 开， 外拖箱场地位与三者中间。分区车场程北面，锻港路在南侧。 分区车场再向北几百米是海岸线，这个范围均是早年填海形成的低地。银港路位甓较高， 弱郝开由，麓南餐l 鸯壤海霹懿取场琏。嚣踅，王疆建设蓠，整个戆彩蔽鸯鬻毒j l 鹣豹壤缝， 宽2 0 0 m ，高差约2 0 m 。坡地上植被稀疏，表层土质多为粘土和红粘土，大部分是早年道路 工程中的弃主。 通过填主垫高坡她甄永平，高度丽锻港路，工程建成藤为几万乎方米静集装箱雏场，犀 已缀建成的海关集装箱查验中心和盛大集装箱场站连成一片，形成濑外集装箱堆存地。这样， 在大窑湾港铁蹙分区攀场毒遨缀出强一旋坎，需簧进行娃蘧。海关袋装簇查验孛心场娩藏差 不太大，采用大型挡士墙处理；盛大集装箱场站因为处于铁路分区率场之外，同铁路砸离较 大，则采用商边坡处理；中间的外拖箱场站，由于同大窑湾港铁路分区车场的距离较_ j 厦，放 薮爨难，也其得瑟建大登整壤。 于是，2 0 0 1 年建趣了长3 5 0 m ，高1 5 m 的加筋土挡土墒，同比邻的海关挡土墙衔接起来。 挡土墙下部宽1 8 m 地基也进行了加固。挡土墙下寿几条封 洪涵彗穿过。挡墙上则怒集装 箱卡车的疏漱道路。穑后西填主经过强夯处理，现在已经建成了集装箱堆渤。 这个挡土墙的规模较大，在整个工程中费用约占一半，也是主要的工期所在，因此成了 整拿壤基羲关键。 1 2 国内外研究概况 对于高填土的挡土墙，目前国内外研究正热，已经有了不下几十种挡土墙的结构形式， 仗蕊主疆土溘挡土撬理翡疆究麓已经裔凡释不礴翡理论，势还在稳窭更囊翁理论，设诗全 新的结构形式。 一般1 0 m 以上算您挡土墙，国内在嚣南遗嚣避类高搂土墟很多，尤其魁公路工稷，常 常有3 0 m 高壤土挡瑞。三峡工程中，修建了高游5 7 m 的三级加箭土挡墙，不过融于某 种原因，该挡土墙的一缀局部压裂坍塌，后经过加固处理继续使用。说明高填士挡土墙的工 程窦舞t 逐不够突善。 1 3 地质条件 挡土墙位援的地质条件在3 5 0 m 范围内各处类似，区别不大，土层自上而下的典型分布 # 下： 1 ，綮填土 主要是早期其他工程豹弃士，多为牯蛙土，混脊蹿石。 2 ，粘土 大连理工大学工程硕士学位论文 呈硬塑一可塑状态。 3 ，红粘土 呈可塑软塑状态，含水量大。含水量极大的面层呈流塑状态。 4 ，全风化泥灰岩 标高0 1 8 4 m 。呈可塑一软塑状态，含水量高，有红粘土夹层。 5 ，中风化石灰岩 坚硬稳定，但石笋、裂隙发育。 地质勘查报告给出的建议： 1 ，素填土 强度不高，固结时问短，会沉降，不宜做地基持力层。 2 ，粘土 强度大，可以做地基持力层，但是应该注意沉降。 3 ，红粘土 强度大可以做地基持力层，但是应该注意沉降。 4 ，全风化泥灰岩 分布广，土层稳定，强度大，宜做持力层。 5 ，中风化石灰岩 可做持力层。 各土层参数见表1 中国c d e a ) ft k ( k o a ) 素填土 1 3 0 粘土1 8 4 00 2 51 7 0 红粘土 1 88 50 3 01 7 0 全冈化岩 2 22 0o 6 02 1 0 中冈化岩 0 6 02 0 0 0 场地评价： 粘土、红粘土：f k 2 0 0 k p a ，属于中硬土 综合结果：本场地属于类场地。 2 表1 大连理工大学工程硕士学位论文 第二章挡土墙方案比较 挡土结构形式很多，传统的圬工挡土墙以外，钢筋混凝土结构挡土墙有悬臂式、扶壁式、 连拱式、板柱式、土钉墙、锚杆式、加筋土、锚定板式、垛式等等【1 】 2 】。各类挡土墙的适 用范围取决于墙址地形、工程地质、水文地质、建筑材料、墙的用途、施工方法、技术经济 条件及当地的经验等因素。 大窑湾挡土墙的条件是： 1 属于填方型挡土结构； 2 高度有1 5 m ； 3 占地要求要小； 4 地基是饱和中软粘性土： 5 现场有混凝土施工条件； 6 永久性构筑物。 根据这些条件，初步选择扶壁式挡土墙、锚定板式挡土墙和加筋土挡土墙三种形式作为 出选方案。为了有一个比较基数，增加了传统的重力式毛石砌体挡土墙这种形式。 各挡土墙的设计条件： 1 ，天然地基承载力：中软粘性土，c = 2 0 k p a ；“= 1 8 0 ；f k = 1 7 0 k p a 。 2 ，后方填土：就地取材，以粘土为主，有开山土( 全风化岩石的碎石土) ，主要铺盖 填土表层。 3 ，荷载：填土面水平，紧接墙后的是公路，公路后是集装箱堆场。 2 1 重力式毛石挡土墙 毛石挡土墙是最常见的挡土结构形式，它完全依靠材料自身的重量来维持挡土墙在土压 力作用下的墙体稳定。这种挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材，矮挡土墙中它一般也 是最经济的。 由于重力式挡土墙依靠自身重力来维持平衡稳定，因此墙身断面大，坛工数量也大，在 高墙中比较费料，在软弱地基上修建往往受到承载力的限制。如果墙过高，材科耗费多，涉 及的其他因素也多，因而亦不经济 从经济方面看，通常认为适用高度在6 m 以下，也有人认为在5 m 以下才经济。但大连 地区可能是因为岩石地基的缘故，出现过9 m 高的毛石砌体挡土墙。 在这里是为了便于比较，选择了一个断面，见图1 。这里为了提高场地利用率，墙面较 陡，墙背也微微俯斜。这样的形式便于施工。 大连理工大学工程硕士学位论文 图1 从图1 上可以看出，石方量很大，有1 1 2 m 2 如果做些技巧，采用衡重式，并且墙后一定范围内填开山土，石方量也不能改善太多。 这里没有考虑地基的承载条件，这么大的自重在现有条件下，使得地基处理的费用非常可观。 2 2 钢筋混凝土扶壁式挡土墙 采用钢筋混凝土扶壁式挡土墙，也是一种常见的形式，且在大窑湾港区已有应用先例。 它是在钢筋混凝土悬臂式挡土墙的基础上的一个改进形式。它是由墙面板、底板、扶壁组成， 扶壁把底板和墙面板连接起来，改善墙面板和底板的受力条件，提高结构的刚度和整体性， 减小墙面板的变形。 扶壁式挡土墙的结构稳定性是依靠墙身自重和踵板上方填土的重量来保证，而且墙趾板 也显著地增大了抗倾覆稳定性，并大大减小了基底应力【2 】 5 】。它们的主要特点是构造简单、 施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载力较 低的地基。相对于圬工挡土墙，它属于轻型结构。 但是墙高较大时，钢材用量急剧增加，影响其经济性能。一般情况下，墙高8 m 以上， 1 5 m 以下，可以采用扶壁式。它们适用于缺乏石料的地区。 按照现场条件，选择的断面见下图2 。 计算过程：略 于是，混凝土方量：1 9 6 m 2 。 4 大连理工大学工程磺士学位论文 扶壁式挡域断面图 2 3 锚定板挡土墙 图2 锚定板挡土结构也是一种适用于填方的轻型支挡结构。描定板结构是我羼铁路部门首创 秘一种瑟銎支挡结搀形式，它发晨手7 0 年饯耪麓，基蓠袁铁路邦耀毫广泛廒建，公爨、承 利、煤矿等部门也在立交桥台、边坡支捎、坡脚防护等多种工程中应用【l 】。 锚定板挡墙是由墙面、拉抒、锚定板以及充填墙面与鼬宅板之间的填土所共同缎成的 一个整终。露这个整铬结 每耱蠹部，存在着俸舞i 二墙嚣上戆_ 土压力、拉符黪溶力帮瓣怒菠鳇 抗拔力等相甄作用的内力这魃内力必须互相平衡，才能保证结构内部的稳定。 月对，在镶定扳挡土墙的周耀边界上，还存在喾从边爨外部传来的土压力、活载以及结 构自重所产生的作用力穰摩擦力，这些外力也盛颡拦相平衡，以傈证锚定板搦土墙的糕体稳 定性，防止发生滑动或蠕动。【6 】 锩定扳接主琏襄镄转搂壤一撵，是纭靠“拉耪”静菝拨力寒保掩挡主琏戆稳定。毽是， 这种挡土墙与锚杆挡土墙又有着明显的隧别，锚秆挡土墙的镭杆必须锚固在稳定的地腰中， 其抗拔力来源予锚扦与砂浆、孔蹙地层之间的摩阻力；而锚定板挡土墙的拉杼及其端部灼锚 定扳均理漤在黼壤主审，其抗藏力来源予镭定板蓑壤土匏被动抗力。霞魏，臻詹藤商土压力 通过墙面传给拉杆，后者则依据锚定扳在填土中的抗拔力抵抗侧向土压力，以维持挡士墙的 平搿与稳定。在镁意扳攫墙中，一方露嶷对爨褥产生主馥压力，填愈遗，主动压 力愈大；另一方面填土又对锚寇板的移动产生被动的土抗力，填土愈高，锚窳缀的抗拨力也 5 静i 大莲理工大学工程硕士学位论文 愈大。 7 锚定板挡土墙按墙面结构形式可分为柱板式和壁板式两种，柱板式按肋柱上的拉杆层数 还可分为单层拉杆、双层位扦和多层拉杆锚定板挡土墙。壁板式挡土墙的墙面扳( 辟面板) 可 采用矩形或十字形板拼装而成，墙面板赢接用拉杆与锚定板连接。 锚定板挡土墙的主要特点有构件断面小、结构质量轻、柔性大、工程量省、污工数量少构 件可预制，有利于实现结构轻型化和机械化施工。它主要适用于承载力较低的软弱地基和缺 乏石料的地区，作路肩墙或路堤墙。 按照现场条件，选择的断面如下图3 图3 计算过程：略 锚定板挡土结构是由墙面、拉杆、锚定板及其填土组成的复合结构。要保证锚定板挡土 墙的稳定性，必须对每一块锚定板及结构整体稳定性进行验算。由于每块锚定板的抗滑稳定 性得到保障之后便不致于发生倾覆破坏。因此，锚定板挡土墙一般不需进行抗倾覆验算。 于是，此断面混凝土方量：1 4 m 2 。要说明的是，这里含有桩基础的材料用量。 2 4 加筋土挡土墙 加筋土挡士墙是利用加筋土技术修建的一种支挡构筑物，加筋土是一种在土中加入筋带 带的复合土，它利用筋带与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能， 从而达到稳定土体的目的，加筋土挡土墙由填料、在填料中布置的筋带以及墙面板三部分组 成，其基本结构如下图4 所示。 1 2 】 4 】 6 大连理王大学工程硬士学位论文 图4 这种结构完全是小尺寸材料干砌起来的，所以，施工的难度不太；结构黎性大，能够适 瘦撼基步量黪努瑟，巍然要求壤不赛；挞主壤的圭涔是填主，嚣兹，拣震性熬好；基秘来说， 填士是不可避免的，那么加筋土挡土墙也就是最便宜的。加筋土技术的发明凭疑是一项重大 技术创新。 最后，太窑湾挡土墙采用加筋土挡土墙，选定的截耐如下图5 。 盟2 蛆目 混凝土方_ 璧：8 ，l m 2 。 图5 7 太连理工大学工程硕士学位论文 2 5 工布挡主墙 土工枣挡墙其实就是另一釉澎式如麓挡壤。它是镑一层土王帮，镑一层土，露镑 一层土工布，礴镱一层士，逐层累积而成的能够直立的土体锚梅。根据大窑湾的情况，初步 选择的形式如下图6 。 瞄6 同加筋土挡墙相比，采用土王布的好处是：材料更加便宜；土层厚度可以自由调节， 镶 殳更撩宣壶；麓工更女i 方使；能觚盏立挡墙连续避渡虱秘筋透坡，掰敬可浚建立颤赫的 挡土墙，从而减小土压力和挡土墙的规模。见图7 。 嬲7 土工希的缺点是：塑料类材料一般强度猎限，弹性模量小，拄有蠕窝变形，不适合建商 挡土墙。这次工稷也是因为这原因没有采用土工布形式。 2 2 6 几种填土类挡土墙的相互关系 裁。 毛石挡土墙摄依靠墙体材料自身的重量米保持墙体稳定的，墙后的土体完全屉一种外葡 扶壁式挡墒可戮看僚楚重力式挡袭辩一种变形，它捂重力式的漓身揭空，壤筑耩， 8 大连理置大学工程磷士学位论文 剥怒墙薅穆料熬共嗣重量来绦持墙镕稳定，充分枣l 用了土的一个性质重量，土已经不 完全是外荷载了，它融经是重甏的主组成成分。同重力式相比，扶壁式大大减少了材料翔量， 它的工期也鞍短。 亘由羹 重力式扶壁式 圈8 扶壁式捎土墙的挟壁，主甍是拉接作用，扶壁的混凝土仅仅起构造作用，因此，将扶壁 式挞土墙的挟壁镂空，是完全弼以的。事实上，也有攫多抉壁式挡土墙就是这样徽的。进一 步将扶壁式挞土墙的聪板镂空也是可以的。再将这一缕缕的扶壁翔块块对应的底板旋转 9 0 度，就成了锚定武挡土墙。这里对面板起稳定作用的悬锚定板，而拉杆熙是传力作用， 可段蕊步控拇秘混凝土截嚣，掰缢遵一劳甓佑后靛或t 蠡准戆锚宠缀整壤。 在这里锚定的抗拔力，依靠了土的一个性质摩擦角，同时还需要足够的土体厚度， 即的重量。在这里，土已经是挡土墙结构的主角，土的施工不能随意进行。同扶壁式相比， 它避一步减少了材辩掰重。 受内岛亘岛量 扶壁镂空底板镂奎扶壁底板旋转锚定板式 图9 游链定叛魏露毁增多覆多，援应锻窥板足寸太大缓小，单根拉抒妁控力墩太大下降。出 于锚定板尺寸减小，而拉杆的亵面积大增，贝拉杆挺供的拙力将主要是土的簿擦力，那么就 可以省掉锚定板。这时的挡土墙结构已经转变为加筋土挡土墙。由于面板的支点很多，内力 太大下降，霹激采震绦薄静垂缀耪秘，整个结攘裰瓣较黍，嚣置壶予霪量，l 、，基稿褪瓣要求 不高。 这里筋带的抗拉力由土的摩擦力提供，当然也是依靠了土的一个性质摩擦角。整个 搭墙盼稳定，依靠翔筋土薄的范围宽广程度，函诧，实际上是建交v 个挡土碴，筋带 成了配角，不作用过重要。 9 大连理工大学工程硕士学位论文 亘令亘岛星 多层锚定板加筋土挡墙土工布挡墙 图1 0 再看毛石挡土墙和加筋土挡土墙两种形式，墙体由外部材料制作转变为由土料本身制 作，外部材料由主角转变为配角，挡土作用变被动为主动。加筋土挡土墙更加充分地利用了 土体自身的工程性质，加筋的作用只是防止土料安息角以外的土体滑落和变形挤出的目的， 这在土工布挡土墙中最为明显。显然，在挡土墙技术中，这样的思路可能更有前途，有人甚 至在此基础上，进一步提出了环形加筋挡土墙概念。 表2 单位长度挡土墙费用比较 重力式扶壁式锚定板加筋土土工布i l石料 1 1 3 肺。1 9 ，。6 万m 3 ，1 3 。，5 万m 3 m 1 35 m 3 m 8 ，i 。m 万3 m 16 6 7 f 1i 呖i l 混凝土 l 造价 1 7 6 万1 4 9 万1 6 万o 万 l 这些费用比较依赖当时材料的市场价格，同时，表2 中除锚定板外，都没有计人地基处理的 费用，重力式的地基要求高，扶壁式的地基要求也较高，式采用桩基。 1 0 大连理王大学工程硪学位论文 第三章加筋土挡土墙工作机理与设计方法 3 1 加筋搂墙分绍 燕簸躺墙是秘鼹黩筋主技术骖建躲一转变鳖绩搀糖，加菸主是一静程孛趣人簸带 的裳台土，它利用筋带与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能， 从狮达到稳定土体的髓的。加筋土挡士墙由填料、在填料中布置的筋带以及墙面板三部分组 蔽+ 英基率结梅魏墨1 1 、2 3 新示。【1 】 图l l图1 2 耀菸楚秘年代发震怒寒豹一 委土臻妻彗霾凝技术，法莺工程撵亨爨绻达衣( h e n r i v i d a l ) 在模型试验中发现，当土中掺有纤维材料后，其强度可咀擞提高，据此提出了加筋 土的概念，并于1 9 6 3 年首先公布了其研究成果，提出了土的加筋方法和设计理论。戍用此 理论，1 9 6 5 年法国在 翻牛薪出静普拉聂尔螽修建了整赛土第一窿女s 筋援主壤。出于法 国程加筋土技术上的成用成功，引起了懒界各国的重视，普遍开展了加筋土技术的研巍和工 程试验，搬麓技术发展甚为迅速。在欧鞠 普及翳，躲拿大、g 率、美国等糖继引进。现已 设世界上许多鹫家所聚用。世界各地不同环境条件下的抽筋结构，融经受了各种荷鼗( 静、 动、温、水) 和位移的考验。通过整体观测与分项研究，从理论与实践两方面均取得了很大 的遴爱。 我国的加筋土技术研究和臆用始于7 0 年代中期，1 9 7 8 年在云南田坝储煤场修建了我国 策一鏖试验性加筋土捎土墙，1 9 8 0 年在山西晋城陵川公路上修建了第一座公路加筋土 疆土墙。与戴简时，广泛开展了笳麓技术的醑究，获理论姘究、壤罄试验释凌场试验舞梳 理分析，都取得了有虢的成果，使加筋士技术的成用得到了更好的推广。 鸯彗菸土技恭最：勰皮羼于挡土培，然露爆子揉灸、护岸、堤坝、赞扬站台、承运玛头号建 筑物基础。在公路、铁路、建筑、水利、煤矿等部闯都得到应用，尤萁是公路部门应用最广 泛。加筋土挡土墙一舶应用于地形较为乎坦且宽敞的填方路段上，在挖方路段或地形陡鞘的 出裟，建予不褒于毒爨蓑带，一黢不捷殿。 在公路工程中，常见的加筋土挡上墙形式有下列几种： ( i ) 单蕊式加筋土挡土墙； ( 2 ) 双蕊式龆篱挡墙，其中叉分为分离式、交错式段及对控式蕊赫土挡壤 ( 3 ) 台阶式加筋二匕挡土墙； 大连城工大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 无瑟板鸯g 麓墙，静工帮籀墙。 按筋带的形式可分为条带式加筋土挡土墙，即筋带为条带式，每一层不满铺筋带；_ 垫 式土工会贼材料加簏挡壤，即每一屡连续淡镳工格嘲或土工l 垫熬带。曩裁，我国主要 采用条带式有面板的加筋土挡土墙。 加筋二匕挡土墙熊得到迅速发展和广泛应用是由于它具有以下特点： ( 1 ) 缰蔽觳簏懿蟪嚣扳耱戆带可以鞭先铡穆，在褒场尾撬援竣久工分麓壤筑壤耱。这种 装配式的方法，施工简便、快速，并且节省劳力和缩短工期。 ( 2 ) 加筋土是柔性结构物，能够适威地基轻微的变形。在软弱地基上修筑时，由于筋带在 填甓过程中邈层理设，掰敬，嚣填土弓| 怒静地基燮形对魏翁上挡土墙的稳定瞧影嗡斑 对其它结构物小，地熬的处理也较简便。 ( 3 ) 加簸挡墙具寿一定的柔性，抗振动憾强，基越，它也怒一种缀好的抗振络枢物。 ( 4 ) 颠筋土挡土墙节约占蟪，造型凳观。由予墙面板可以垂直砌筑，可太量减少占地。挡 土嫡的总体布设相墙面板的形式图案可根据周围环境特点和需要进行设计。 ( 5 ) 趣篾主搭壤遗蛰毙较凭。与锻簸滢凝士搂壤摺院，可减少造穆一半左考3 与否露 重力式挡土墙比较，也可节约2 0 以上。而且，加筋土挡土墙造价的节省随墉高的增 加而愈加显著，因此它具有良好螅经济效益。 翔翁土技术的发露光凝筵一壤重大技术餐新。 3 2 加筋挡土壤酶基本原理 砂性在自重玻， 力作耀下易产生严重的燮形或蜓塌。若在中漤应变方是埋置具有挠 惶的筋带材料，剐土与筋带材科产生摩擦，使加筋土犹如具有某种程度的粘聚性，从而改矗 了土的力学特性。其基本原理存在于筋带与土之间的相点摩阻联结之中，这些基本原理一般 可以匿续鸯嚣点予激簿释：( 1 ) 瘴攘敬麓愿理； ( 2 ) 准粘聚力原理( 戚莫尔一库伦理论) 。【1 【5 3 2 1 摩擦加筋理论 在热筋结构中，由填i 稳重稻外力产生静主压力终用于墙嚣板，通道墙面扳主的簸带 连接件将此土压力传递给筋带企图将筋带从土中拉出。而筋带材料又被土压住，于是填土 与筋带之阉的摩擦力阻韭簸带被拔出。因韭匕，其要筋带材糕具有足够的强度，并与土产生足 够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。【1 筋带与填土之间的摩擦力是如何发挥作用的呢? 现从加筋休中取一微分段d l 进行分 掇魏下謦 3 援示。 t 2 莲1 3 设由土的水平摧力在该微分段筋带中所引起的拉力d t = t 1 一t 2 ( 假定拉力沿拉助长度呈 非均匀分布) ，垂直作用的土黧和外荷载为法向力n ，筋带与土之阃的摩擦系数为p ，筋带 1 2 塑 t 大连理篡大学工稷疆土学位论文 宽度为b ，作用于长d l 的筋带条上下两灏的垂直力为2 n b d l ，筋带岛土体之间的摩擦阻力即 势2 n f * b d l ，女睬 2 n p b d l d t 贝d 筋带与之间就不会产生榍蕊滑动。逸时，筋帑与之闯好像赢接相连锁魄发挥著作厢。 如果每一层加筋均能满足上式助要求，则整个加筋土结构的内部抗拨稳定性就得到保证。 在魏嫠绥穆魏申篾豢露残瘩平虢。裙蠢、蔽层逢镶设在需要攘蘑懿嚣中。翔荣落 密嶷，筋带布置的竖向间距较小，上下筋带间的土体能因为筋带对士的法向威力和摩擦阻力 在颗粒中传递( 即毂筋带直接接触的士颗粒传递给没有虚接接触的土原糙) ，而形成与土 压力褶平衡的承压攒，如图1 4 所示。【l 】 图1 4 这时，在上、下筋条之间的土体，除端部的土不稳定外，将与筋带形成一个稳定的整体。同 理，辩左右戆带魏耀鞭不走，友右蕊带鞠戆薅墩轻在铡恣力熬终惩下，遵避摸雩# 掰，传 递给上下筋带间已形成的土拱最后也由筋带对士的摩擦阻力承受侧压力，于是，除端部的 土体外左右筋带间的土体也将获得稳定。 嬲筋俸静成揆条幸申十分复杂，特舅l 麓在麓带瓣距较大瓣壤土豹鬏粒缩，j 、，黻及黪密实 度不足的情况下，这时，在筋擀间土体较难形成稳定的土拱，筋带问的土体将失去约束而出 觋坍落窥稠趣位移，妻毽图1 5 魇示。 垂1 5 所以，用作支挡结构物时，加筋土结构廒在筋带端部加设墙面板，用以支挡不稳定的土体， 承受戆带与土阅的摩撩阻力未能克服的剩余土压力，并通道连g - - 4 q 传递给筋带。【1 摩擦船筋理论由于概念龋确、简单，因此，穗离模量( 女e 金藩筋带) 女h 筋主结祷中褥蓟 较广泛的应用。 大连瑚工大学工程硪士学位论文 3 2 2 准粘聚力理论 麓翁结褐霹淡看捧凳备商异瞧鳇复合赞瓣，逶繁深霜魏戆带，其弹梅模量远大于填。 谯这种情况下，筋带与填土的共同作用，包括填土的抗辫力、填土与筋带的摩擦阻力及筋带 的抗拉力，使得搬蘩土的强度疆显掇瓷，这耐跌三轴试验审褥到验证。 加筋士的基本应力状态如图1 6 a 所示，在没有筋带的土体中，在竖向殿力口1 的作用下， 士体产生骚向压缩和侧向膨胀变形。随着竖向威力的加大，压缩变形和膨胀变形也随之加大， 悫羁醴嚣。女l 果鬟主舞中设嚣泰平方羯豹菸磐，_ 蒌l 在鬻撵蘸竖蠢寝力a | ，幸# 曩t ，冀弱囊 变形大大戚小甚至消失，如图1 6 b 所示。 1 】 一l 一1 扩i 零l 地b ) 溅1 6 这是由于水平筋带均土体之间产生磨擦作用，将引起例向膨胀的拉力传递给筋带，使士体侧 向变形受到约束。筋带的约策力ax 相当于在土体侧向施加一个例压力c r ，其美系可用 羹尔图表示，如图1 7 骺示。 f 尊 4 f 尊期 一 o l 划 图1 7 羹尔强l 势主薅寒酸霉| ；霹戆搭鳇症力捩态；霾嚣蟊l 羞未鸯簸带懿主薅援羧癜力状态；翟珏王 是加筋土体的应力状态，土体中加入高弹性模量的筋带后，筋带对土体提供了一个约束阻力 a 。，即水平应力增爨。3 ( = 。x ) ，使褥侧融蹑力减小，亦即在稿同的轴良变形条件下， 热筋能承受较大触主应力差。这还可敬通过常规三镪试验串酌藏力交纯情况来表示，翔图 1 8 所示， 1 4 太连理工太粗程顿士学位论文 d l j 礴e ；矗靠 燃1 8 蹙中匿秀凭麓疆聚状态露豁蕤彖匿；殛鹱鸯黧筋蘸葵承鑫，弱鸯8 3 与鬣麓趣襁等， 而能承受的鹾力则增加了o ，豳v 为加筋土中填士的极限熬尔圆，其最大主应力a 。与园 的棚等，藤爨小主应力却减少了矗口，。 上述势薪滋臻，魏麓土莽辩强度寄了媾热，蕊! 有一条薪静抗剪强鏖线来度映这种燕系， 如图】9 所示。 二一 这已被试验所证实，如图2 0 所示 匿1 9 蕊 图中棚筋砂与未加筋砂的强度曲线几乎完垒平行，说明巾值柱加筋前詹基本不变加筋桫的 力学蛭艇裴薯是盎予瑟鳃复含蒋( 嚣热籁骖) 具蠢“懿聚力”静缘竣，“黏聚力”不是 砂土固有的，耐是加筋的缩果，所以称为“准粘聚力”。 准糕聚力c 掰根据莫尔库伦定律求樗，由上两图可知： 大连蠼工大学工程硕士学位论文 q = 鹎，t 9 2 ( 4 5 。+ 要) = ( 吗+ 吗) 培2 ( 4 5 4 + 罢) 翅戆爱，主漆处予叛的投疆平衡状态，鄹： q ：t 9 2 ( 4 5 。+ 要) + 2 c t g ( 4 5 。+ 罢) 毙较上嚣溪式，霹褥： a t 9 2 ( 4 5 。+ 要) 一2 矿t g ( 4 5 。+ 要) 闲诧，由予筋带律灞产生静“准粘聚力”鸯： = 昙吩t g ( 4 5 。+ 必须指出，上式是建立在筋带不出现断裂和滑动，阊时也不考虑筋带受力作用后产生拉 伸变形的条件下得出的。显然这只能邋用于高抗拉强度和高模量的筋带材料，如钢筋混凝土 带，镭繁、锯片秽薅强度裹搂量静热麓塑瓣带簿。对手缳模量、大延姊率瓣工毒孝精，嚣为 它不能完众限制土体的侧向变形，所以对于这螋材料的加筋作用机理，不考虑其变形的影响 撼不符合实际的。为了考虑籁带的变形性质，取三轴试验中的试梯楔体来作避一步的分析如 潮2 1 新永。 以” 拄l 7 1一乃增乎 b ， 图2 1 圈中a 为试样的裁藤积； e 为破裂角，o ：t g ( 4 5 。+ 罢) ； 毒势主滟内摩擦是5 t 为与破裂面相交的各筋带层的水平合力， o - 。为筋带的极限抗拉强度。 蒎摇静力平衡条俘： n 咖o + 争蒜与 而筋带所能承受的水平合力为： 一l 垄墅奎塑篓堂堂堡丝 鸯a t g ( 4 5 。+ 叁 s 。s 。 式中：s y 加筋二t 体中筋带层垂直蔺i 距( m ) ； s x 加筋土体中筋带层水平间距( m ) ； 吒筋带的饭限抗拉强度( 婶a ) ； 岛溪带越裁嚣积( 疗) 。 将上面几个公式整理，可得： o s a s - t g f 4 5 。+ 罢) 勺2 1 骚一 最后求得的c 。便是由筋带作用产生的“准粘聚力”。 3 3 加筋土挡土墙的构造 船筋俸的横断耐形式一般窟精矩形，但是，啦可以根锻需要儆成墙背薏正梯形，或者诩 梯形。 攘篓挞凌毫凄夫子1 2 m 薅，宣分缓设爨，蟪薄襄翳中郝塞设釜宽瘦不零予l o m 的 锗静，台顶用混凝土檄防护并没向外倾斜2 0 的排水援坡。当采用细粒土填料时，上级墙 的壤面板基础宜设置宽度不小于i m 、商度不小予0 5 m 的较硬的人工地基。墙高大于2 0 m e 孝艨进行特辣设计。 3 3 。1 填料 填料是如筋体的烹姆材料，鱼它与筋带产生疼擦力。其基本要求： ( i ) 翁予填筑与压实； ( 2 ) 能与筋带产生足够的摩擦； ( 3 ) 瀵鼹诧学秘露纯学掭准； ( 4 ) 水稳定性好。 为了使筋带与填料之间能发挥较大的摩擦力，以确像结构的稳定。通常填料优先选择具有一 定缀靛、透承经爵懿砂类土、碎石类。猛粒辩孛不褥食蠢尖锐静棱角，戮受在压实避翟孛 压坏筋带。从压实密度的需求出发，粒柽d = 6 0 2 0 0 n m l 碎石含量不盥大于3 0 ，最大粒径 不宴超过2 0 0 m m 。 填料的他举和电他学标准，主要为保证加筋的长期使用品质和壤料本身的稳定，加筋体 内严禁使用漏炭、淤泥、腐质土、冻土、盐渍土、自垩土、硅藻土及生活垃圾等，填科中不 应会霉太量露撬覆。j 雪予爰罨聚嚣薅王磐的壤载孛不宣鑫有嚣蛰双主豹凌、镁、铁簿子及 氯化钙、碳酸钠、硫化物等他攀物质因为它们会加速聚两烯土工带的老化和溶解。【2 1 7 大连理工大学工程硕士学位论文 3 3 2 筋带 筋带的作用是承受垂直荷载和水平拉力，并与填料产生摩擦力。因此，筋带材料必须具 有以下特性： ( 1 ) 抗拉能力强。延伸率小，蠕变小，不易产生脆性破坏； ( 2 ) 与填料之间具有足够的摩擦力； ( 3 ) 耐腐蚀和耐久性能好； ( 4 ) 具有一定的柔性，加工容易，接长及与墙面板连接简单； ( 5 ) 使用寿命长，施工简便。 筋带在土中随着时间推移，有锈蚀或老化的可能，这时板面抗拒外力的能力减弱。挡土 墙的稳定主要靠土体本身的自立作用，因此，不宜在急流、波浪冲击及高陡山坡使用加筋土 挡土墙。必须设置时，水位以下部分的墙体应采用其它措施，如重力式档土墙或浆砌片石防 护等。 筋带为带状，国内以采用聚丙烯土工带和钢筋混凝土带为主。对于高速公路和一级公路 应用钢带和钢筋混凝土筋带，国外广泛使用镀锌钢带。 2 】 i 钢带 钢带一般用软钢轧制，分光面带和有肋带两种，有肋带上设置横肋以增加摩擦力。它的 横断面为扁矩形，宽度不小于3 0 m m ，厚度不小于3 m m 。 钢带防锈所涉及的因素较多。除表面采取镀锌防锈措施外，还应注意填科中的水及水中 的化学物质，并考虑不同设计年限的锈蚀厚度。 2 2 钢筋混凝土带 钢筋混凝土带表面租糙，与填科之间的摩擦力较大，加之筋带宽，所以筋带长度较短， 而且造价低。 钢筋混凝土带一般分节预制，每节长度不大于3 m ，做成串连状。平面为长条矩形或宽 度变化的楔形，横断面为扁矩形，带宽1 0 0 2 5 0 。在满足强度要求的前提下，宣采用宽而薄 的扁楔形断面带为好，以增大筋带与土之问的摩擦力。 混凝土标号不应低于c 2 0 ，主筋多为3 号钢，直径不小于8 m m 。为防止或减少混凝土 被压裂，往往可以在混凝土内布设钢丝网。筋带的接长多用焊接，也可用螺拴联结，外露钢 筋表面采用沥青纤维布处理，以减缓锈蚀。 2 】 3 聚丙烯土工带 聚丙烯土工带是一种低模量、高蠕变材料，其抗拉强度受蠕变控制。 聚丙烯土工带由专业工厂定型生产，表面应有均匀的粗糙压纹，宽度均匀一致，带宽应 大于1 8 m m ，厚度应太于o 8 m m 。由于各地产品性质差异较大，设计时应做抗断裂试验，确 定断裂强度，断裂强度不小于2 2 0 m p a ，断裂伸长率不宜大于1 0 ，容许应力采用值应小于 断裂强度的1 5 。在含有硬质尖棱的碎石土中不得使用聚丙烯土工带以免筋带被割断。 2 4 钢塑复合带 钢塑复合带采用高强钢丝和添加抗老化剂的塑料复合而成，宽度应大于3 0 m m ，厚度应 大于1 5 r a m ，断裂伸长率不应大于2 ，表面有粗糙花纹。抗拉强度由钢丝承担，塑料对钢 丝起防腐作用。设计强度应考虑接头处或破损处的钢丝锈蚀的影响而历减。 5 另外，筋带还可使用土工织物、废旧编织袋等，并根据要求和使用经验设计。 筋带一般应水平放置，并垂直于墙面板。当两根以上的筋带固定在同一锚接点上时，应 在平面上成扇形错开，使筋带的摩擦力能够充分发挥。但当采用聚丙烯土工带时，在满足抗 拔稳定性要求的前提下，部分为满足强度要求而设置的筋带可以重叠。当采用钢片和钢筋混 凝土带时，水平间距不能太宽，否则筋带的增加效果将出现作用不到的区域，参照国外经验， 大连理工大学工程硕士学位论文 可取最大间距为1 5 m 。 3 3 3 墙面板 墙面板的作用是防止填土侧向挤出、传递土压力以及便于筋带圊定布设，并保证填料、 筋带和墙面构成具有一定形状的整体。墙面板不仅要有一定的强度以保证筋带端部土体的稳 定；而且要求具有足够的刚度，以抵抗预期的冲击和震动作用；又应有足够的柔性，以适应 加筋体在荷载作用下产生的容许沉降所带来的变形。因此，墙面板设计应满足坚固、美观以 及运输与安装方便等要求。 国内常用混凝土或钢筋混凝土墙面板，国外常常采用金属墙面板。混凝土或钢筋混凝土 墙面板的类型有十字形、槽形、六角形、l 形、矩形和弧形等。除标推形状墙面板外，为适 应项部和角隅处的构造要求，尚需要设计异形面板和角隅板。 2 】 墙面板混凝土强度不应低于c 2 0 ，板厚不小于8 0 r a m 。计算墙面板厚度时，假定每块板 单独受力，土压力均匀分布，并由筋带平均承担，即将墙面板视为均布荷载作用下的简支板 计算。 3 3 4 基础 加筋土挡土墙的基础，一般情况下只在墙面板下设置条形基础，宜用现浇混凝上或块石 砌筑。当地基为土质时，应铺设一层小厚度的砂砾垫层如果地基土质较差，承载力不能满 足要求，应进行地基处理，如采用换填、土质改良以及补强等措施。 在岩石出露的地基上，一船可在基岩上打一层贫混凝土找平，然后在其上砌筑加筋土挡 土墙。若地面横向坡度较大，则可设置混凝土或浆砌石台阶基础。 3 】 3 4 加筋土挡土墙的内部稳定性分析 3 4 1 加筋土挡土墙内部失稳形式 图2 2 加筋土挡土墙内部稳定性受诸多因素的影响，如筋带的数量、断面尺寸、强度、间距、长度， 以及作用在墙面扳上的土压力、填土的性质等，而且上述诸因素又是相互影响的。与加筋土 档土墙内部稳定性有关的破坏形式有以下两种： 1 9 大连理工大学工程硕士学位论文 1 由于筋带开裂造成的断裂，如图2 2 a ) 所示： 筋带开裂造成的工程断裂，起因于筋带强度不足。这种现象可能来源于筋带或锚接点钢 筋、螺栓的尺寸不够或荷载过大，也可能是因受力区段筋带腐蚀，造成抗力减退。试验结果 表明断裂渐渐地沿最大拉力线发展。 2 由于筋带与填土之间结合力不足造成的加筋体断裂，如图2 2 b ) 所示： 当筋带与填土之间的摩擦力不足以平衡施加于筋带的拉力时，就会因结合力不足而造成 断裂。此时筋带与填土相对滑动，加筋体出现严重变形，直至断裂。 内部稳定性分析主要是用筋带在拉力作用下抗拉能力和抗拔能力来衡量，因为这两个方 面能概括反映各因素对内部稳定性的影响。川 3 4 2 内部稳定性分析方法 加筋土结构内部稳定性分析方法很多，大多采用库伦和朗金理论。目前设计中用得较多 的是以下两种方法：( 1 ) 应力分析法；( 2 ) 楔体平衡分析法。 应力分析法与楔体平衡分析法共同的特点是：将加筋体本身分为活动区和稳定区。活动 区的加筋体力图将筋带材料从稳定区拔出；而稳定区的加筋体则力图阻止拔出。如果阻止的 力不足以抵挡拔出的力，则加筋体产生拔出破坏。破裂面就是两区的交界面。 这两种方法的主要区别在于：( i ) 破裂面形状的假定；( 2 ) 墙面的转动中心；( 3 ) 作用 在加筋体内的土压力的基本假定等三方面，这些区别示于图2 3 中。 用楔体平衡分析法计算时，作用于墙面板上侧向压力为主动土压力，主动土压力系数 k a 沿墙高不变，墙面绕墙趾转动使得挡土墙破坏，且为朗金库伦破裂面，如图2 3 b ) 所 示。 应力分折法认为在某一深度( 一般为6 m ) 以下处于主动极限平衡状态，而且墙项一般 为弹性平衡状态，并随墙深逐渐变化到主动极限平衡状态，其破坏主要是由于绕墙顶旋转的 侧向变形引起的，如图2 3 a ) 所示。 内部稳定性分析方法的选择应根据筋带的密度、性质以及施工方法等方丽来考虑。若用 高模量、高粘附筋带( 如钢带或钢筋混凝土带) 按照正常方法布置筋带时，则宜用应力分析 法中的垂直应力均匀分布法，该法计算简便、用筋量较少，且为大量的已建工程所验证。对 于采用高模量低密度筋带或用低摸量筋带( 如塑料带) ，则宜用楔体平茁分析法。因为，此 时加筋土结构墙面顶部产生( o o o l o 0 0 5 ) h ( h 为加筋体高度) 的水平位移的可能性是存 在的。同时在结构变形容许条件下，可提高低模量筋带的强度利用率。 除此外，还有一些其他的分析理论，分别产生不同的计算结果，也分别适用于不同的情 况。 大连理工大学工程硕士学位论文 者在曩曩懦 3 4 3 问题讨论 图2 3 喜 加筋土挡土墙内部稳定性分析主要是确定筋带拉力和验算抗拉和抗拔稳定性，它与加筋 体破裂面形状、筋带与填土间的摩擦作用，以及土压力等因素有关。 1 1 视摩擦系数 加筋土计算中所用的摩擦系数应为视摩擦系数p ，它是填土与筋带的滑动摩擦、土颗 粒之间的互相咬台以及筋带凹凸引起的土抗力的综合。对于视摩擦系数，不能简单地从土的 内摩擦角4 ) 而得出，它取决于土的内摩擦角、土的密度、筋带上的垂直压力、结构的几何形 状、筋带的长度、宽度以及粗糙程度等等。试验表明： 土的密度高，p 值大； 填土高度增加或荷裁增加f + 减小； 并且f s 随着筋带长度的增加而减小，筋带表面愈租糙f * 就愈大。 在确定f s 时，应了解土的密度、抗剪强度、筋带尺