土工格栅与锚杆结合加筋的自嵌式挡墙研究

1、土工格栅与锚杆结合加筋的自嵌式挡墙研究 1引言土工格栅加筋自嵌式挡墙被公认为比较经济美观的挡墙14，对于这种挡土墙系统挡墙大部分的稳定性主要由自嵌块面板后的格栅来提供，另外自嵌块作为挡墙的面板也可以提供一部分稳定。作为加筋的土工格栅必须有足够的设计强度，格栅在回填土中有明确的加筋垂直间距而且在回填土中须有足够的加筋长度，然而格栅的设计强度和垂直间距较容易实现，但在靠近挡土墙的位置处遇到大量的老土、软岩和硬岩时，回填土中所需的加筋长度很难实现，即无法完全完成土工格栅的铺设。在这种情况下开挖大量的土或岩石是不切实际的，因此需要一些特殊方法来抵抗格栅长度减少所带来的拉应力。本文研究在回填区受限制的情

2、况下，采用土工格栅和锚杆结合加筋的设计理论，就是在加筋回填区的后部将锚杆打入固结土或岩体中，锚杆来抵抗因格栅长度不足所产生的拉应力，传统的格栅加筋自嵌式挡墙和锚杆与格栅结合的自嵌式挡墙断面如图1。传统的加筋自嵌式挡墙有足够的回填区域来满足局部、内部和外部稳定性，但在回填加筋区受限制的条件下，挡墙的内部稳定性不能得到保证。通过将锚杆与格栅连接然后将锚杆打入土层或岩层中来抵抗格栅长度不足所带来的拉应力，从而实现所要求的稳定性。a)传统加筋自嵌挡墙 b)格栅和锚杆结合加筋的自嵌挡墙图1 传统加筋自嵌挡墙和格栅与锚杆结合加筋的自嵌挡墙Fig1. Conventional geogrid reinfor

3、ced segmental block wall and one with a combination of geogrid and anchor reinforcements图1b表明了一般情况下回填区受限制的加筋土自嵌挡墙断面图，加筋回填区中的格栅能转移挡墙面板上的土压力，将面板上的土压力转变为格栅本身的拉应力。加筋回填的面积受后面硬土区的限制，格栅的长度在铺到硬土区时如果不能抵抗挡墙面板的土应力则采用锚杆与格栅连接的方式来共同承担拉应力，锚杆嵌固到硬土区来提供足够的拉应力。2、自嵌式挡墙面板后的土压力加筋土区内的垂直应力由自身加筋土的重力和外部附加垂直荷载组成。回填土区后面的硬土区由于自

4、身的稳定性不会传递应力给回填土（这与传统加筋自嵌挡墙被挡土区不同），因此回填土区的垂直应力不会受到影响。进一步来讲，硬土区的表面可视为刚性界面，由于土工格栅与墙体自嵌块的连接使得挡墙的面板界面可视为柔性界面，所以该柔性界面的存在会阻止回填土区内受限制区域发生拱起现象。因此，可认为加筋土中同一高度处的垂直应力大小是一样的。加筋土自嵌挡墙底部的最大垂直应力等于加筋土的自重加上一些附加的或其它外部垂直荷载。在计算挡墙所受的总水平平衡力时，回填区受限制的因素须被考虑到，因为与加筋土后的硬土区的距离较近，所以在受限制回填土内主动破裂面可能不会完全发展。该问题的一般几何形状如图2a，加筋土区的范围用高度H

5、、顶部加筋土的宽度Lt来表示。图2a中硬土区的边界是垂直的，事实上，硬土区的边界倾斜时分析方法也是一样的。回填区内的力系如图2b，在潜在破裂面内回填土的自重W构成破坏力。为简化期间假定作用在墙面后部的平衡力是水平的且墙面是垂直的。因此平衡方程如下：若 （1a）若 (1b) 以上的变量如图2b，K是作用在墙面后部的水平力系数。图2c中表明了当内摩擦角时K值随Lt/H的变化值。当Lt/H的值大于0.5时，主动破裂面在回填区内会完全发展，因此，如方程1b；当Lt/H的值小于0.5时，主动破裂面在回填区内不会完全发展，因此K值会随着Lt/H值的减少不断减少。图2c中对于不同的Lt/H值K保持一个固定的

6、破裂角，K值不是最大值但可通过具体的Lt/H获得。原因是因为回填土区的受限制迫使临界破裂面产生更大的角度，这将会比破裂角为时导致一个更大的K值。填土内摩擦角时这个最大的水平力系数Kmax如图2c。图2d表明了填土的内摩擦角时产生最大水平力系数Kmax的破裂角，在完全主动破裂面处Lt/H比值大于0.5时回填土破裂角，当Lt/H比值小于0.5时，破裂角也接近一致。但在挡墙顶部回填区与硬土区结合处，破裂角不一致。图2e表明了回填土类型范围时计算的最大水平力系数Kmax。图2f表明了回填土类型范围时用方程1a中来计算最大水平力系数Kmax的破裂角。图3表明了作用在墙面板后总水平力Ph以及水平力随着挡墙

7、深度的分布。当时 （2a）当时 (2b) 图2 回填土的自重作用在挡墙后的水平力系数Fig2. Horizontal force coefficient acting on rear of wall facing due to weight of reinforced fill图3回填土自重和附加荷载作用在挡墙面板后的水平应力分布Fig3. Horizontal stress distribution acting on rear of wall facing due to self weight and surcharge and the gross horizontal force总水平力

8、Ph： （2c）从图2f中获得的适当临界角3、加筋格栅和锚杆的拉力加筋土挡墙的内部稳定性是通过加筋和锚杆产生的拉力来实现，图4表明截面j的应力示意，垂直应力是由回填土的重量、附加荷载和其它的外部荷载产生的。在墙面板的后部该垂直应力能分配相应的水平应力，墙面板通过加筋的拉力来抵抗面板所受的水平应力，从而避免面板的移动，如果硬土区边界内格栅不能完全抵抗该力的话，则剩余的拉力被转移到锚杆中。在加筋土墙内每一层格栅最大拉力均发生在回填土中主动区与被动区的分界点处，该分界面通过图5边界角来划分。加筋土中产生的最大拉力在线j处表示为5：挡墙面板后截面线j处水平应力，截面线j处加筋垂直间距图5假定了在截面j

9、处拉应力沿着格栅长度的应力分布，拉筋最大值位于中间部位附近，向墙面方向和拉筋末端方向逐渐减少6。为了保守设计假定墙面板后的拉力等于产生的最大拉力，即 图4 自重和附加荷载产生的内部应力 图5 沿着格栅层拉应力的分布Fig4. Internal stresses due to self Fig5. Distribution of tensionweight and surcharge along a layer of reinforcement如果最大拉力线距离硬土区边界有一定的距离，如图5，则加筋的拉力可以在回填土的被动区被消散掉。被动区拉力减少比率如图6，通过过多应力来控制，加筋与填土的摩擦

10、力为在加筋被动区的后部，挡墙截面j处的表示为： （4）截面j 处主动区与被动区结合点的最大拉力回填土的单位自重 截面j以上挡墙的高度 挡墙顶部的附加荷载 加筋与土之间的摩擦系数加筋土的内摩擦角 挡墙截面j处被动区的加筋长度图6 加筋回填土的被动区假定的线性剖面拉力分布图Fig6. Assumed linear profile of reinforcement tension dissipation in the passive zone of the reinforced fill如果加筋拉力在到达硬土区边界时不能完全被消散掉，则需硬土区的锚杆来消散剩余的拉应力。在每一个锚杆中工作荷载的大小表

11、示为：截面j处锚杆的工作荷载 截面j处被动区后部拉筋的拉力在截面j处锚杆之间的水平间距 截面j处锚杆的倾角4、锚杆与格栅结合的某自嵌挡墙工程实例某工程需要建高度2m到5m不等的加筋挡墙，要建挡墙的地方有一部分由风化岩组成，为了保证周围建筑物的安全，决定不开挖来建造土工格栅加筋自嵌式挡墙，由于回填区受限制决定采用锚杆和格栅结合使用来建造自嵌挡墙。 a)受限制的加筋土挡墙设计参数 b)加筋挡墙断面图c)格栅、锚杆连接大样图图7 加筋自嵌式挡墙图Fig7. Profile of reinforced segmental block retaining wall图7a表明了加筋挡墙与后面石英岩的位置关

12、系及设计参数，石英岩表面倾角大约60°，挡墙顶面的水平宽度Lt为3.1m。，给出了一个临界角（图2f），最大的加筋拉力线如图7a所示。回填土内的被动区受限制而且大约与硬土区的边界一致。因此在设计时可以假定最大拉力线即为硬土区的边界。自嵌挡墙的面板由自嵌块体组成，作用在挡墙面板后的水平应力分配由方程2来计算，格栅的垂直间距是基于格栅的设计强度和格栅与自嵌挡墙面板的连接强度而定。为了节省锚杆的数量，每两层格栅设置一排锚杆，如图7b和7c，锚杆的受力，将锚杆的受力代入到以下锚杆截面积和锚固长度公式中 根据计算所需锚杆的长度L=5.0m和直径25mm2.5m。锚杆与圆管的连接采用焊接或弯钩连接，锚杆布置方式为梅花状，锚杆施工严格按照施工规范执行。 锚杆和加筋格栅的连接是通过一根75mm直径的镀锌钢管来完成的，如图7c。所选用的土工格栅需要长期的设计强度和自由灵活的弯曲来使得格栅本身能较容易的围绕镀锌钢管而不需要施加额外的附加拉力。该挡墙工程施工完毕后，经过近一年时间的考验，挡墙的工作性能表现良好，未发生任何的破坏形式，说明通过用锚杆和土工格栅