高速公路高路堤加筋土挡墙变形分析与研究

1、侯怀亮,男,助理工程师。高速公路高路堤加筋土挡墙变形分析与研究侯怀亮段小强(中交第一公路勘察设计研究院陕西西安710075摘要高路堤加筋土挡墙在同类设计中以其经济优势较为明显被广泛地采用。但往往由于地基情况较为复杂,加之目前对高大加筋土挡墙没有较成熟的计算方法。因而在后期的运营中,容易形成路基病害。文章根据变形特征对西塔高速公路加筋挡墙的破坏机理进行了研究。关键词高速公路碎石填方路堤加筋土挡墙1引言加筋土挡墙是一种较为新型的支挡结构,与传统的重力式挡墙相比,具有容许沉降量大、施工快、造价低、占地少、减少土方等特点,这是公路、铁路建设中广泛采用的重要原因。在设计这种支档结构时,拉筋的材料、伸缩模

2、量、最大伸长量、填筑体的级配、含水量、压实度、整个填筑体的允许沉降量等都是设计的重要内容。但由于拉筋的老化,公路运行后填筑体(路堤进一步密实固结,遇到路基浸水等意外因素时,其安全性可能会出现问题。因此,研究加筋土挡墙后期的稳定性和变形特征具有重要的意义。2概况青海省西宁至塔尔寺高速公路海山分离立交,是一座加筋土挡墙结构的互通分离式公路立交桥。桥长约80m,双向四车道,宽22m 的引道路堤是以砾类土、碎石和聚丙烯塑料编织带填筑,路堤两侧竖直临空面采用混凝土砌块拼接配合聚丙烯土工加筋带挡土,挡墙最高9m 。加筋土挡墙地处冲积平原二级阶地上。年降雨量367533mm,主要集中在69月份。区内地下水为

3、第四系松散堆积层内的孔隙水,地表下10m 深度内未见地下水。原地面以下10m 内地基土层均为第四系松散堆积层,自上而下主要为黄土状亚粘土及圆砾土。黄土状亚粘土厚610m 左右,分布及层厚较稳定。土体含水量为18%21%,天然孔隙比为0180211045,塑性指数为8131013,压缩系数为0134411255MPa -1,容许承载力为90100kPa,路基黄土湿陷性已消除。圆砾土厚度一般大于10m,容许承载力400kPa 。路基填料以圆砾为主,局部为砂砾,松散稍密状态。3加筋土挡墙失稳特征及原因分析311失稳特征该桥于2004年7月竣工后投入使用,2004年8月连降暴雨后,发现部分路段纵向产生

4、裂缝,并有横向裂缝多条,2005年3月裂缝和变形进一步发展。至2005年10月,最大侧胀变形达120mm,混凝土砌块偶有鼓胀侧移,变形量逐渐增大,路堤局部填土出现严重下沉,最大处达180mm,威胁着加筋土挡墙的安全。其变形特征如下。(1墙体外倾。外倾主要有三种形式:墙体高度中部向外鼓出;整体外倾;墙体向外倾斜,墙体上部变形更大,砌块鼓出。见图1图3 。(2路面开裂。裂缝主要分布在挡墙顶部内215310m,裂缝贯通,宽度随高度的增加而增加。(3路面沉降明显,最大沉降达180mm 。312变形机理31211非自重性黄土湿陷路基的持力层为非自重性湿陷性黄土。黄土的结构理论认为,黄土的微结构特征是黄土

5、中的粘胶微粒和碳酸钙凝成的集粒和微碎屑矿物共同组成的许多架空结构和孔隙,粒状架空结构是骨架颗粒之间直接接触,颗粒间的连结刚度和强度均较小,在外荷和浸水情况下发生变形和溃散,颗粒发生新的配位排列,产生不同程度的湿陷变形。目前对黄土湿陷性的处理不外乎是强夯、换填等方法。该段在施工时采用了夯实。其机理是,在重力的作用力下破坏黄土的结构,消除其部分湿陷性。但这种消除只是相对的,在后期工程实施以后,因附加应力增大,在遇水情况下黄土151侯怀亮等:高速公路高路堤加筋土挡墙变形分析与研究的结构进一步破坏,导致地基承载力降低。特别是2005年春灌,路基意外浸水后使其承载力大幅度降低,成为该段路基失稳的起因。路

6、基的沉降过大,从本质上讲就是承载力不够的结果,挡墙必然表现为一定的倾覆和沉降变形,见图4。路堤外侧裂缝正是这种倾覆破坏的表现,路堤高度随路线里程变化而变化,其纵断面方向必然产生不均匀沉降,以致路面横 向裂缝发育。31212路基压实度不满足要求多年来,碎石土路基的填筑质量控制一直为公路工程界所关注。压实度反映了干密度与含水量和压实能量之间的相互影响。如果填土工程的压实度达不到标准,路堤将产生过大的工后沉降,并使路床的CBR 值偏低,在反复荷载作用下,路面结构开裂。西塔高速公路路基填料是以圆砾为主,局部为砂砾,松散稍密状态,含有粒径<01075mm 的粉粒。路基填料粒径以30120mm 为主

7、,其天然孔隙比为0173,孔隙率为42%,而该填料的击实试验结果,测得其最大干密度为d =2134g/cm 3,由此推知,该段路基填料压实度不满足高速公路93%的压实度要求。目前高填路堤的压缩沉降是运用分层总和法进行计算的1。但分层总和法必须计算填体中附加应力和相应荷载范围内压缩模量,这对于快速填体而言是比较困难的。对于压缩蠕变试验,由于试验条件与工程原型为等应力状态,因此,可把试样看作是取自于高填路堤中的微元体,根据相应应力状态下微元体的单位压缩量,可直接推求高填路堤的压缩量。计算模型为S t=6S ti =6(A t ln (P i +B t(1式中t 为上标,表示加载后不同时间内的单位压

8、缩量及与之相对应的模型参数;i 为下标,表示不同荷载(填方路堤当中的填高下的单位压缩量。根据有限元数值模拟计算出的最大沉降量为18mm,说明填筑体的工后固结是路基变形的重要组成部分。加筋土挡墙面板的水平位移和路面的沉降变形规律见图5、图6。31213筋带不合理(1根据目前国内高速公路加筋土挡墙的规范要求,筋带材料应使用钢带或钢筋混凝土带,而该段设计采用了聚丙烯土工带,这对高速公路高墙的安全 性是很不够的。(2该段加筋土挡墙高度为9m 。根据土力学计算理论,挡墙内侧承担的是车辆动荷载,它引起的侧压力垂直分布应是倒梯形;而主动土压力则呈倒三角形分布2,面板受力最大部位在墙高的1/22/3处,见图7。而设计的土工带其强度和布设规律并没有体现这一受力特征。因此,可以认为筋带问题是该段路基变形的重要原因,还有填土压实时筋带的拉紧问题, 这些都是不可忽视的。4结论与建议(1西塔高速公路海山立交段加筋土挡墙路基失稳的原因主要是:路堤成形后浸水,引起黄土进一步湿陷沉降;在公路运营过程中,长期的振动荷载,以及在路堤自重的作用下,工后沉降更为加剧;路堤填料压实度不够,筋带不合理等。(2加筋土挡墙因其独特的优势,目前在我国的公路尤其是高速公路建设中被广泛使用,但可借鉴的高大加筋土挡墙的现场测试资料较少,以致工程设计过于保守或不安全的现象时有发生。建议对此