加筋土支挡结构设计与计算

1、加筋土支挡结构设计与计算1 概述1.1发展和类型加筋土挡土墙是由基础、墙面板、帽石、拉筋和填料等几部分组成，如图1.1所示。其挡土原理是依靠填料与拉筋之间的摩擦力来平衡墙面所承受的水平土压力（即加筋土挡墙的内部稳定），并以 基础、墙面板、帽石、拉筋和填料 图1.1加筋土挡土墙结构图等组成复合结构而形成土墙以抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力（即加筋挡土墙外部稳定），从而保证挡土墙的稳定。1960年，法国工程师亨利·维达儿（Henri·Vidal）通过三轴试验发现，加筋土在竖直荷载或自重作用下，依靠拉筋与土体之间的摩擦作用把引起侧向变形的拉力传递给拉筋，限制了土体的侧向变形，等同

2、于向土体施加了侧向荷载。1963年，Henri·Vidal发表了加筋土研究成果与设计理论，标志着加筋土技术理论的雏形的形成。加筋土挡墙的首次工程应用是在1965年冬季的法国比利牛斯山的普拉聂尔（Pragere），从而引起欧洲对于加筋土挡墙的广泛研究。日本在1967年引起加筋土挡墙技术后，进行原型试验，随后又进行地震作用下加筋土挡墙抗震性能的研究。美国则起步较晚，但发展迅速。1970年建成第一座加筋土挡墙，1974年批准加筋土技术可以代替传统挡土结构。截止到1980，美国境内完成将近300项加筋土挡墙工程。1971年西班牙建成第一座加筋土挡墙工程。加拿大和澳大利亚等国家随后也纷纷引起该

3、技术，并展开广泛的研究。根据上世纪80年代的统计，加筋土挡墙在公路工程中占绝大部分比例，工民建中也较多，而用于铁路工程则很少，尤其是铁路干线中。加筋土挡墙的理论研究在不断向前发展和完善，但由于土工材料的复杂性，施工应用依然远滞后于理论研究；其次，相对于公路，铁路工程对使用年限要求更长，对路基沉降变形要求更严格，加之动荷载对加筋土挡墙的影响较大。因而，加筋土挡墙的最广泛应用还是在公路工程中，其也方便意外破坏后的抢修。我国对于加筋土挡墙的发展和应用较晚，20世纪70年代末才开始。最早在1978 1979年，云南煤矿设计院在田坝矿区建成我国首座加筋土挡墙，属于实验性，高约2 4m。该矿区又于1980

4、年建成一座长57m，高8.3m的加筋土挡墙，建成后效果良好，从此开始了加筋土挡墙在土木建筑行业中的广泛推广与应用。1980年淮南铁路建成我国第一座铁路加筋土挡墙，1981年山西建成第一座公路加筋土挡墙。迄今为止，我国建成的加筋土挡墙工程已达数千座，多用于公路和城市建设，以及水利等工程。加筋土技术在我国研究与应用已取得成效。1990年原铁道部将加筋土挡墙纳入铁路路基支挡结构物设计规则中，1991年交通部正式颁发了公路加筋土工程设计规范(JTJ 015-91)和公路加筋土工程施工技术规范(JTJ 035-91)。随着加筋土技术的不断成熟，加之加筋土挡墙的显著造价经济性和广泛适应性等一些优势，我国加

5、筋土技术的应用范围不断扩大，理论研究不断发展，并在实际中取得许多成果。上世纪80年代以来，国内外不断对加筋土挡墙技术进行研究，探讨其原型与设计计算。设计伦理由极限平衡法发展到有限元法，对土工材料也进行大量实验研究，具有代表性的是土工栅格的应用6。试验研究与实践工程证实，土工栅格的抗震性能更加优越。姚令侃等在08年的汶川大地震之后，通过对国道G213线都江堰至映秀段16个路堤工点的震害调查，发现采用土工栅格加固的路基，具有显著的抗震性能7。加筋土技术最初应用于挡土墙，然后用于桥台、护岸、堤坝、货场站台、水运码头与建筑物基础。在公路、铁路、建筑、水利、煤矿等部门都得到了应用，尤其是公路部门应用最为

6、广泛。加筋土挡土墙一般应用于地势较为平坦且宽敞的填方路段上，在挖方路段或地形陡峭的山坡，由于不利于布置拉筋，一般不宜使用。在公路工程中，常见的加筋土挡土墙形式有下列几种：（1） 单面式加筋土挡土墙（2） 双面式加筋土挡土墙，双面式中又分为分离式、交错式及对拉式加筋土挡土墙。（3） 台阶式加筋土挡土墙（4） 无面板加筋墙按拉筋的形式可分为：条带式加筋土挡土墙，即拉筋为条带式每一层不铺满拉筋；蓆垫式土工合成材料加筋挡土墙，即每一层连续铺满土工格网或土工蓆垫拉筋。目前，我国主要采用条带式有面板的加筋土挡土墙。1.2加筋土挡土墙的特点加筋土挡墙是面板、拉筋和填土形成的一种复合结构物，在岩土工程得到广泛

7、的应用，其特点概括起来有以下几点： （1）可预制性。构成加筋土挡墙的面板和拉筋可以预先制作，然后在工程现场装配施工。如此使得施工简便、快速，缩短了工期，同时也节省了劳动力。（2）适应性强。加筋土是一种柔性结构，可以适应承载力较差的地区，适应一定范围类的地基变形，也具有较好的抗震能力。（3）经济效益好。较之传统的重力式挡土墙，一方面，加筋土的面板薄，基础小，可节省95 97的圬工，占用土地资源少；另一方面，其自重轻，结构简单，可节省20 60的造价1。（4） 造型美观。加筋土挡墙墙面板的外观可配合周围环境与景观，做成具有欣赏性的建筑结构物。1.3加筋土技术的不足尽管加筋土技术的发明是一项技术创新

8、，并引起了国内外岩土工程界人士的极大关注。但大量工程实践与理论研究证明，加筋土技术仍有诸多不足之处。对加筋土的研究，多种理论并从，都有道理却不能概全，工程设计多依赖经验的积累，理论远远落后于工程实践，并未上升到揭示加筋土本质理论的阶段，这严重制约着工程实践的发展8。加筋土挡墙不但有上述共性问题，还具有一些特殊性，主要表现在两方面。一是加筋土挡墙的工作性状的复杂性。加筋土挡墙主要由填料、拉筋和墙面板组成，不仅要考虑每个部件各自的受力、变形性状，还要考虑其相互间影响。二是土压力理论并不成熟。土压力计算与挡墙形状、填料性质、位移方向以及地基土质有关。目前工程中常用的土压力计算理论为朗肯(Rankin

9、e，1857)和库仑(Coufomb，1773)理论，其都是在不同的假设条件下应用不同的分析方法得到的，故仅在一定条件下近似适用8。2 加筋土挡土墙的结构构造加筋土挡墙主要由基础、墙面板、拉筋（或筋网）和填料几部分组成，其与传统重力式挡土墙在概念上与构造上有很大区别。墙面板的主要作用是防止墙后拉筋间土体从侧向挤出，并保证拉筋、填料、墙面板构成一个具有形状的整体，还有美化外观的作用。墙面板应具有足够的强度，保证拉筋部土体的稳定。2.1墙面板按材料类型，墙面板可分为素混凝土墙面板、钢筋混凝土墙面板、条石和金属墙面板等。金属墙面板因造假过高而一般不使用，前两种为我国主要使用形式。混凝土墙面板按外形，

10、可分为十字形、槽形、六角形、L形和矩形等，目前应用最多的是十字形和矩形。图2.1是一矩形面板加筋土挡墙的外观实景图。图2.1 加筋土挡墙外观实景图面板的设计通常应满足坚固、美观、方便运输和易于安装的要求。面板上和拉筋的连接结点，可以采用预埋钢筋拉环、钢板锚头、预留穿筋孔等形式。2. 2 拉筋拉筋在挡土墙中的作用至关重要，应具备较高抗拉强度，延伸率和蠕变变形小，有较好的柔性，抗腐性，与填土间有较大摩擦力，也便于制作，价格低廉的特性。因此，设计与施工过程中宜严格把握拉筋的材质、变形、强度和耐久性等。按材质来划分，拉筋可以划分为四类：第一类植物拉筋，如稻草、竹筋，我国在上世纪80年代就曾试用竹筋作为

11、拉筋。这种拉筋一般只用于临时性工程。第二类土工合成物，如聚丙烯、聚乙烯、尼龙和聚酯等，聚丙烯塑料带属我国首先采用，并广泛应用与公路工程。但因其变形和蠕变都较大，且因其使用年限短而无法认证抗老化性能。第三类是金属材料，如扁钢带和带肋钢带，这类拉筋的效果好，但造价很高，其长期防腐难以保证。第四类是复合材料，常用的有钢筋混凝土带和钢塑复合加筋带，我国铁路设计基本上是采用混凝土分节串联加筋。2. 3 填料填料是组成墙体的主体材料，必须易于填筑和压实，与拉筋间有较好的摩擦力，对拉筋没有腐蚀性。国外对填料的要求较高，在七十年代之前，仅限于使用渗水性土壤，此规定严重限制加筋土挡墙的应用。后虽修改此规定，但在

12、考虑工程环境和材料供应的前提下，也要求于级配较高的砂性土填料。我国最初就贯彻就地取材的原则，除相应规范规定的淤泥、腐殖土、冻结土、白垩土和硅藻土外，有一定级配的砂砾土优先使用，其他材料在采取保证质量和结构稳定的措施后亦可使用13。基础能够调整地面的高差，顶面的凹槽方便第一层面板的安装。通常采用素混凝土和浆砌条石筑成。其尺寸根据地形、地质条件而定，一般为矩形，高为0.25 0.4m，宽为0.3m 0.5m。对于土质地基基础埋深不小于0.6m，还应考虑冻结深度、冲刷深度等。土质斜坡地区，基础不能外露，其部趾到倾斜地面的水平距离应大于等于1m。加筋土挡墙的示意立面图如图2.2所示，示意断面如图2.3

13、所示。图2.2 加筋土挡墙立面示意图图2.3 加筋土挡墙断面示意图2. 4 沉降缝沉降缝是指在工程结构中，为避免因地基沉降不均导致结构沉降裂缝而设置的永久性的变形缝。沉降缝主要控制剪切裂缝的产生和发展，通过设置沉降缝消除因地基承载力不均而导致结构产生的附加内力，自由释放结构变形，达到消除沉降缝的目的。实际上它将建筑物划分为两个相对独立的结构承重体系。 沉降缝的设置部位： （1）建筑平面的转折部位； （2）高度差异或荷载差异处； （3）长高比过大的砌体承重结构或钢筋砼框架的适当部位； （4）地基土的压缩性有显著差异处； （5）建筑结构或基础类型不同处； （6）分期建造房屋的交界处。 沉降缝的做法

14、与伸缩缝不同，它要求在沉降缝处将基础连同上部结构完全断开，自成独立单元。 必须注意，在沉降缝内不能填塞材料，以免妨碍建筑物两侧各单元的自由移动，不少工程，虽然设置了沉降缝，但由于施工时不慎缝内被砖块或砂浆等杂物堵塞，往往失去沉降缝的作用。在寒冷地区，因保暖需要，可在缝的侧面充填保温材料，但必须保证墙体能自由沉降。2. 5拉筋与面板的连接（1）面板与拉筋连接必须坚固可靠，耐腐蚀性能应与拉筋相同。（2）钢筋混凝土拉筋与面板之间，串联式钢筋混凝土拉筋节与节之间的连接，一般采用焊接。（3）金属薄板拉筋与墙面板之间的连接一般采用圆孔内插入螺栓连接。（4）聚丙烯拉筋与面板的连接，可用拉环，也可直接穿在面板

15、的预留孔中。（5）埋入土中的接头拉环，以浸透沥青的玻璃丝布绕裹两层防护。如图2.4所示。图2.4 拉筋节连接构造图2.6墙面板基础（1）混凝土浇注或浆砌片石砌筑。一般为矩形，高为0.250.4m，宽0.30.5m。（2）顶面可作一凹槽，以利于安装底层面板。（3）土质地基基础埋深不小于0.5m，还应考虑冻结深度，冲刷深度等。（4）对于软弱地基，除作必要处理外，尚应考虑加大基础尺寸。（5）土质斜坡地区，基础不能外露，其它要求如图。（6）加筋挡土墙高度大于12m时，墙高的中部宜设宽度不小于2.0m的错台。错台顶部应设不小于20%的排水横坡，并用混凝土板防护；当采用细粒填料时，上级墙的面板基础下应设置

16、宽不小于1.0m，高不小于0.5m的砂砾或灰土垫层。如图2.5，图2.6所示。图2.5 加筋土挡墙护脚横断面图图2.6 错台与垫层横断面图2.7帽石与栏杆（1）加筋挡土墙顶面，一般设置混凝土或钢筋混凝土帽石。帽石突出墙面35cm，其作用是约束墙面板。（2）栏杆高1.01.5m，栏杆柱埋于帽石中，以保证栏杆坚固稳定。2.8加筋体的横断面形式加筋土的断面尺寸由内部稳定性和外部稳定性的计算确定。一般情况下，上部筋带长度由抗拔稳定性所决定，而下部筋带长度则取决于加筋体的抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性、地基承载力以及加筋体的整体抗滑移稳定性等中的一种或若干种因素。如图2.7所示。 图2.7 加筋体典型横断面

17、3加筋土挡墙的设计原理自然土体在自重作用下能在较小的坡度内直立，当坡角超过临界角度或在外力扰动作用下，则容易发生严重的变形或倒塌，若在土中沿应变方向埋置具有挠性的筋带形成加筋土，则土体与筋带材料之间产生摩擦，犹如使加筋土具有了某种程度的粘着性，从而改善土的力学性能。加筋土挡墙在墙后土体内埋设筋带，使土体与筋带组成复合土体共同作用，以增强其自身稳定性，能够弥补土的抗剪强度低和没有抗拉强度的弱点。Henri·Vidal等14通过三轴试验和现场试验，分析了砂土加筋后复合土体强度、稳定性提高的原因，根据试验结果解释了土体和筋带之间的相互作用原理。根据研究成果，筋带和土体之间相互作用可分为摩擦

18、原理和准粘聚力原理。3.1 摩擦原理在加筋土结构中，填土自重和荷载等在其它外力产生的侧压力作用于面板，通过面板与筋带的连接件又将此侧压力传递给筋带，企图将筋带从填土中拉出。筋带被填土压住，于是填土与筋带间的摩擦力发挥作用，阻止筋带被拉出。因此，只要筋带有足够的强度，并与填土之间产生足够的摩擦力，则加筋土他就可以保持稳定。如图3.1所示，取微元长的筋带，法向应力为，左右截面分别受力和，忽略筋带自重和微元上土的重量。设筋带与填土颗粒之间的摩擦系数为，筋带宽度为。因填土水平推力在该微元筋带引起的拉力为，则。设土颗粒在该微段上的总摩擦力为，则： （3-1）若要求筋带保持不被拉出，根据水平方向受力平衡，

19、则有： （3-2）当微元体满足（3-2）式时，墙后土压力被摩擦力克服，拉筋和填土之间不会发生相对位移，微元保持稳定。图3.1 拉筋与填料摩擦原理示意图拉筋与颗粒之间的摩擦作用是很复杂的，不仅取决于土壤组成成分、土粒粒径和级配、拉筋的类型与断面尺寸，而且还与环境状况、加筋土结构类型、荷载作用方式等有关。该原理未考虑筋带的变形，以及土是连续介质和各向异性的特性，故对于小变形的如钢筋混凝土筋带和金属筋带是合适的，对于变形较大的土工合成材料则结果不够准确。然而，在实际设计与应用中，通常简化摩擦设计原理，不会考虑从拉筋侧面的摩擦力，以及拉筋产生一定变形后与填料之间作用机理等一些因素。因此，其原理还是较为

20、简单的明确的，以砂性土为填土的加筋土挡墙在实际工程中得到广泛应用。3.2 准粘聚力原理准粘聚力原理视加筋体为各向异性的复合材料，根据三轴试验，在外力和自重作用下的加筋土试件，由于在土中埋置了水平方向的筋带，在沿筋带方向发生膨胀变形时，筋带相当于一个约束应力，阻止了土体的延伸变形。此应力相当于土体与筋带之间的静摩擦阻力，其最大值取决于筋带材料的抗拉强度。加筋土在竖向正应力作用下，侧向变形会大大减小。通过砂样的三轴对比试验，可得到图3.2所示结果：图3.2 加筋土和无筋土强度曲线由上图可知，加筋砂与无筋砂的强度曲线近似平行，说明两种砂土的内摩擦角相等。但加筋土的强度曲线未经过原点，加筋砂的强度比无

21、筋砂的强度大，此强度值被称为是“准粘聚力”，提高了加筋土的强度和稳定性。“准粘聚力”事实上不是粘聚力，而是加筋土的强度增量。两种设计原理，加筋土挡墙的计算也对应有两种方法：一是基于摩擦原理，把加筋土看成由土与拉筋两种不同性质的材料组成，两者通过界面相互影响、相互作用，设计时把拉筋、土体分开计算；另一种是基于“准粘聚力”原理，把加筋土看成复合材料，拉筋的相互作用表现为内力，只对复合材料的性质产生影响，而不直接出现在应力应变的计算中。3.3 加筋土挡墙的破坏模式加筋土挡墙的破坏模式分类有很多种，杨果林等就将其分为稳定性破坏、倾覆破坏和拉筋破坏15。从加筋土挡墙的稳定性来划分，加筋土挡土的破坏模式可

22、分为整体稳定性破坏和内部稳定性破坏。整体稳定性破坏发生在挡土墙外部，包括挡土墙基底滑动、倾覆转动和连同基础下沉等。内部稳定性破坏发生在挡土墙内部，包括拉筋拉断、拉筋拔出和连接件断裂等。如图3.3所示，加筋土挡墙的具体破坏模式如下：（1）筋带拉断引起的破坏，如图a）所示；（2）筋带拔出引起的破坏，如图b）所示；（3）挡土墙基底滑动破坏，如图c）所示；（4）挡土墙倾覆破坏，如图d）所示；（5）基础沉降破坏，如图e）所示；（6）连接件断裂破坏，如图f）所示。图3.3 加筋土挡墙的破坏模式3.4 破裂面的确定基于摩擦原理的把拉筋和填土分开考虑的设计计算方法相对简捷，在实际工程中得到广泛应用。本文设计也

23、采用了此种设计计算方法。在这种方法中，加筋土挡墙面板后填料中的破裂面的形状和位置是确定拉筋截面和长度的重要依据。现行设计理论对破裂面的类型和位置的假定只要有以下四种，即直线型、对数螺旋线型、折线型和复合型，见图3.4。 a）直线型 b）对数螺旋线型 c）折线型 d）复合型图3.4 破裂面形式设计计算中破裂面通常选用折线型的0.3H法。现行加筋土相关设计规范的0.3H折线法确定破裂面有两种：铁路路基支挡结构设计规范（TB10025-2006 ）所推荐的确定方法如图3.5 a）所示，破裂面上部取墙后0.3H处的竖直面，下部取墙脚与0.3H的连线16。公路路基设计规范（JTGD30-2004）的0.

24、3H折线法竖直部分取在墙后0.3H处，破裂面下部的斜面为和水平面成的斜面17，如图3.5 b）所示。破裂面将墙后的土体分为活动区（非锚固区）和稳定区（锚固区）两部分。 a） b）图3.5 0.3H折线法确定破裂面3.5 加筋土挡墙设计计算时的基本假定 通过前面所述的设计原理，加筋土挡墙在设计计算时可做以下几点基本假定18：（1）墙面板承受填料产生的主动土压力，且每块面板承受各自相应范围内的土压力，并由连接在墙面板上的拉筋的有效摩擦阻力即抗拔力来平衡；（2）挡土墙内部加筋体分为活动区（非锚固区）和稳定区（锚固区），这两区分界面即为土体的破裂面。破裂面通常按0.3H折线法来确定。靠近面板活动区内的

25、拉筋长度为无效长度；作用于面板上的土压力由稳定区与填料之间的摩擦阻力平衡，在稳定区内拉筋长度为有效长度；（3）拉筋与填料之间摩擦系数在拉筋全范围内相同；（4）压在拉筋有效长度上的填料自重及荷载对拉筋均可产生有效的摩擦阻力。4加筋土挡土墙的计算模型前面讲述了加筋土挡墙的设计原理，即摩擦原理和准粘聚力原理。实践工程设计中，通常采用摩擦原理。对于土压力的计算，一般基于库伦理论。在考虑地震力时，采用拟静力法，将地震力动荷载视为作用在加筋土挡墙上的静荷载来作设计计算。4.1 稳定性分析计算方法加筋土挡墙的稳定性分为外部稳定性和内部稳定性。挡土墙的破坏大多是由失稳所造成的，因此，分析加筋土挡墙的稳定性，是

26、其设计的基本前提，对施工亦有很大的指导作用。铁路和公路设计规范规定加筋土挡墙的设计计算1213,16，是根据加筋土挡墙在外荷载作用下的破坏模式来进行稳定性计算与验算的。通过外部稳定性分析计算初步确定拉筋的长度，然后再进行内部稳定性分析，使其同时满足内部稳定性和外部稳定性。加筋土挡墙的稳定性分析方法通常有定性分析法和定量分析法。定性分析法研究影响加筋土挡墙动力性能的因素，挡土墙的失稳机理和破坏模式，以及借助现有工程和模拟实验等，来评价地震作用下加筋土挡墙的稳定性。此方法虽综合考虑了影响加筋土挡墙动力性能的多种因素，并且能够快速的评价挡土墙的稳定性，却不能定量的分析和评价加筋土挡墙的稳定性，只可用

27、于指导设计和施工。地震作用下加筋土挡墙的计算方法通常有：拟静力法、数值法、可靠度分析法、试验分析法和滑块法等。其中，拟静力法和有限单元法是目前主要采用的方法，以下只做此两种方法的介绍。4.1.1 拟静力法拟静力法将地震瞬间荷载等效为长期荷载，视地震惯性力为自重和加速度的乘积，作用在潜在不稳定土体的重心上，然后根据极限平衡理论，将所有作用在潜在不稳定土体上的力和力矩进行分解，建立潜在不稳定土体的力和力矩平衡方程，求解不稳定系数。不稳定系数与拉筋材质、填土参数、潜在破裂面形状及位置、地震力等有关。潜在破裂面的形状和位置根据墙后填土的类型和工程经验与实践的对比，可以简化为直线型、折线型、双曲线型和对

28、数螺旋线型等。Nouri等16加筋土挡墙的水平与竖直方向施加拟静力，发现水平力对加筋土挡墙的影响很大，远远超过了竖直力的影响。姚令侃等10,11也通过汶川大地震的实地勘察研究，发现地震作用下，加筋土挡墙的基础产生横向位移，附加剪力传递到上部砌块式挡土墙，引起靠近基础部位的应力叠加，导致加筋被被拔出过连接件破坏，产生由上至下的崩解破坏10。蒋建清等20运用拟静力水平条分法研究了水平力和竖直力下加筋土挡墙的内部稳定性，发现墙后填土的内摩擦角和地震加速度对加筋土挡墙的稳定性有显著影响；柔性材料的抗震性比刚性材料要好。并通过加筋土挡墙的拉筋破坏和填土黏着破坏分析，推导了筋带临界长度公式和临界配筋率21

29、。拟静力法计算简单，是现行公路加筋土挡墙设规范（JTJ 051-91）采用的设计方法。但和传统的极限平衡法一样，拟静力法忽略了土与拉筋之间的相互作用13，且采用一些假设条件，无法计算挡土墙的位移和筋带的变形。4.1.2 数值分析法将结构复杂的受力变化情况用计算机技术进行模拟，从而分析影响结构稳定的因素，数值分析法在现代工程结构分析研究中得到了广泛的应用，并取得很多理论成果。代表性的数值分析法为有限元分析法。有限单元法主要是采用离散化结构,分片插值位移试函数,通过单元劲度矩阵、应力矩阵,最终分析总结出结构的受力与变形情况。有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,而土体应力变形

30、分析恰好就存在这些困难问题,因此很适宜用有限元法。蒋鑫等22基于有限元程序Phase2 V6.0软件平台，用剪力强度折减法分析了拉筋拉伸模量和拉筋位置对加筋土稳定性的影响。李小青等23用ANSYS软件进行加筋土模拟分析研究，发现加筋可有效的降低负荷土体的侧向水平位移，抑制土体塑性区的发展，显著增加挡土墙的整体抗剪性和稳定性；内摩擦角的加筋效果要比粘聚力的加筋效果显著的多，选用内摩擦角较大的砂性土可增加加筋效果。程火焰等24通过有限元模拟地震作用下加筋土动力特性，得出地震荷载下，拉筋应力应包括静应力和地震动应力，当地震加速度小且持续时间段时，加筋土结构可通过内部应力调整而保持平衡，当地震加速度大

31、且持续时间长时，填土会迅速增大变形，自身强度突然减小，同时伴随着筋土间摩擦不足或拉筋强度不足，导致拉筋被拔出或拉断。李海深等25用有限元分析法，建立了加筋土挡墙弹塑性本构模型，编制了加筋土挡墙在地震作用下通用数值计算程序。有限元分析起步相对较晚，70年代后才开始运用该方法预测加筋土结构的变形及内部稳定性，并迅速发展。该方法的优势是将加筋土体变形协调性与应力平衡结合在一起，能够考虑岩土材料的层次体系及筋土之间的非线性影响因素；能够模拟不同工况下的加筋土结构的工作机理和破坏性状；经济性高，在一定条件下也具有很高可靠性。由于计算中需要的加筋体本构关系和相应的参数确定有很大困难，尽管有限元分析法有诸多

32、优点，但该方法被用于设计的情况并尚不多见26。4.2 内部稳定性分析计算加筋土挡墙设计的重点在于内部稳定性分析，特别是拉筋拉力的计算。由于加筋土的特性，外部失稳而致使结构破坏的情况一般很少发生，因此，研究加筋土的内部稳定性问题，一直是研究人员关注的重点。内部稳定性分析包括拉筋拉力计算、拉筋强度检算，以及拉筋长度（包括锚固长度和非锚固长度）的确定，以确保拉筋在最大拉力作用下不被拉断或拔出。本文设计计算按照铁路路基支挡结构设计规范（TB 10125-2006）和铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006）推荐的方法，进行加筋土挡墙的相关设计计算。4.2.1 土压力计算前面已经阐述了加筋土挡墙

33、的构造与设计原理。在加筋土挡墙设计计算中，土压力是作用在面板上的一个主要力系。作用在加筋土挡墙面板上的水平土压力，为墙后填料和墙顶荷载产生的水平土压力与之和，即。4.2.1.1 墙后填料产生的土压力墙后填土产生的土压应力，其分布曲线如图4.1所示，根据下式计算： （4-1） 当时 当时 式中 填土产生的水平压应力（KPa）； 填土重度（KN/）； 墙顶填土距第层墙面板中心的高度（m）； 挡土墙内深处的土压力系数； 静止土压力系数； 主动土压力系数； 填土综合内摩擦角（°）。 墙顶以上填土高度（m）；墙高与之和图4.1 由填土产生的水平压应力分布4.2.1.2 墙顶荷载产生的土压力 墙

34、顶荷载产生的水平压应力，根据规范推荐的方法，采用弹性理论采用下式计算16： （4-2）式中 荷载产生水平土压应力（KPa）； 荷载边缘至墙背的距离（m）； 荷载换算土柱高（m）； 荷载换算宽度（m）。 因此，对于路肩挡土墙，作用在墙背上的土压应力为： （4-3）4.2.1.3 墙后填土总地震土压力墙后填土总地震土压力根据库伦理论公式计算，在考虑地震力作用影响时，计算中将填土的参数修改成地震作用下填土的参数。计算示意图如图4.2。 （4-4） 主动土压力系数 （4-5）地震主动土压力 （4-6）式中 土体综合内摩擦角（°）； 修正后的土体综合内摩擦角（°）； 墙背与土体之间的

35、摩擦角（°）； 修正后的墙背与土体之间的摩擦角（°）； 土体重度（）； 修正后的土体重度（）； 地震角（°）； 主动土压力系数； 墙背倾角（°）；俯斜时取正，仰斜时取负； 墙背土体表面的倾角（°）； 地震主动土压力（KN）； 墙高（m）。 地震土压力与竖直方向的夹角为。图4.2 主动土压力计算图示4.2.2 作用在拉筋上的竖向压应力计算计算填料与拉筋之间的摩擦阻力时，需确定该处的竖向压应力，则填料和拉筋之间单位面积上的摩擦阻力为，等于填料自重和墙顶填土自重竖向压应力与荷载引起的竖向压应力之和。即按下式计算： （4-7） 式中 第层面板所对应拉筋

36、上的垂直压应力（KPa）； 计算点至荷载中线的距离（m）；如图4.3所示。由于是随距离变化的值，所以根据上式计算出的竖向土压力沿拉筋长度分布是不同的。在实际设计计算时，可取线路中心线下、拉筋末端和墙背三点应力得的平均值作为计算值。 图4.3 荷载引起的竖向压应力 4.2.3 地震力计算作用在挡土墙第截面以上墙身质心处的水平地震力为： （4-8）式中 第截面以上墙身质心处的水平地震力（KN）； 水平地震作用修正系数；岩石地基取0.20，非岩石地基取 0.25； 水平地震作用沿墙高增大系数；墙高不大于12m时，取1.0； 地震峰值加速度（）； 第截面以上墙身的质量（t）。4.2.4 拉筋拉力计算拉

37、筋拉力由水平土压力乘以系数计算，如式（4-9）、（4-10）： （4-9） （4-10） 式中 第层面板所对应拉筋的计算拉力（KN）； 第层面板所承受的侧向压力（KN）； 第层面板所承受的地震侧向压力（KN）； 拉筋拉力峰值附加系数，可采用1.5 2.0； 、拉筋之间的水平和垂直间距（m）。4.2.5 拉筋抗拔力计算拉筋抗拔力计算中，由于拉筋厚度远小于其宽度和长度，故可以忽略拉筋侧面产生的摩擦力，只可根据拉筋上、下两面所产生的摩擦力按下式计算： （4-11） 式中 拉筋抗拔力（KN）； 拉筋宽度（m）； 拉筋有效锚固长度（m）； 拉筋与填料之间的摩擦系数，根据抗拔试验确定；当没有试验据时，可采

38、用0.3 0.4。4.2.6 拉筋长度的确定拉筋总长度包括无效长度（非锚固长度）和有效长度（锚固长度）。设计计算根据0.3H折线法来确定拉筋的长度。拉筋的无效长度 （4-12） 拉筋有效长度 （4-13）拉筋总长度 （4-14）4.2.7 拉筋抗拔稳定检算对于路肩墙，计算拉筋的抗拔稳定性时，拉筋锚固区和非锚固区的分界采用0.3H分界线，如图3.5所示。拉筋的抗拔稳定性包括全墙和单板的抗拔稳定性。墙顶的荷载在一定填土深度处，既有水平作用力，也有竖向作用力，两者对拉筋的抗拔稳定性效果正好相反。因此，计算拉筋抗拔稳定性时应包括有荷载和无荷载两种情况。单板抗拔稳定系数不应小于2.0，困难时可适当减小，

39、但不得小于1.5。拉筋抗拔稳定性由拉筋抗拔稳定系数来评价，其值计算式如下：全墙抗拔稳定系数 （4-15）单板抗拔稳定系数 （4-16）4.2.8 拉筋抗拉强度检算拉筋容许抗拉强度根据式（4-8）计算，拉筋容许拉应力根据式（4-9）计算。在拉筋抗拉强度检算时，应满足拉筋最大拉力不大于拉筋抗拉强度，拉筋拉应力不大于拉筋容许拉应力。拉筋容许抗拉强度 （4-17）拉筋拉应力 （4-18） 式中 拉筋极限抗拉强度（KN）； 拉筋考虑铺设时机械损伤、材料蠕变、化学及生物破坏等因素时的影响系数；此处可取最大值5.0； 各分墙段拉筋层的最大拉力（KN）； 拉筋拉应力（KPa）； 扣除预留锈蚀量后的各分墙段拉筋

40、截面面积（）； 拉筋容许应力提高系数； 拉筋容许拉应力（KPa）。4.2.9 墙面板内力检算在墙面板内力检算时，视板内侧土压力强度为均布荷载，墙面板为简支梁或悬臂梁，进行竖向轴心受压、横向和竖向截面弯矩和剪力检算，然后根据求解的内力情况进行配筋计算。4.2.9.1 换算均布荷载根据铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）27，当墙面板的长边与短边之比大于或等于2时，按短边为跨度计算板的内力，否则应按双向板计算。按下式将面板内侧土压力换算成均布荷载： （4-19）式中 面板内侧土压力（KN）； 拉筋水平方向间距（m）； 拉筋竖直方向间距（m）。4.2.9.2

41、轴心受压一般地，如果挡土墙不是太高，墙面板采用合适等级的混凝土预制时，面板不会发生轴心受压破坏。在必要的检算时，只可检算最底层面板的截面压应力，确保其不超过面板轴心抗压强度。4.2.9.3 弯矩和剪力假设面板在中心位置连接一根拉筋，板的跨度为，把面板视为拉筋连接处固定的悬臂梁，计算截面弯矩和剪力。弯矩和剪力的最大值均发生面板中间截面，分别为 和，如图4.4所示。如果一个面板连接多根拉筋，则依实际情况计算面板内力。a）均布荷载b）弯矩图c)剪力图图4.4 面板受力图 面板计算截面弯拉应力和剪应力应分别满足式（4-20）、（4-21）的条件。 （4-20） （4-21） 式中 计算截面处的弯矩（K

42、Nm）； 计算截面处的剪力（KN）； 计算截面净面积（）； 材料容许应力提高系数； 混凝土容许弯拉应力（MPa）； 混凝土容许剪应力（MPa）。 4.2.10 连接件内力检算 在加筋土挡墙内部稳定性满足的情况下，必要时需检算连接件的内力强度，保证其在拉筋拉力作用下不被拉坏或从墙面板中拉出。 4.3 外部稳定性分析计算在加筋土挡墙的外部稳定性设计计算时，将加筋体看做一个实体墙。外部稳定性包括地基应力、基底滑移和倾覆等。根据现行铁路路基支挡结构设计规范（TB 10125-2006）第8.2.8条：加筋土挡墙的外部稳定性计算方法与重力式挡土墙相同。4.3.1 基底抗滑稳定性计算加筋土挡墙抗滑稳定性计

43、算的原理是，验证基底抗滑力是否大于作用在挡土墙上的总水平力。若基底抗滑力大于总水平力，则挡土墙不会发生基底滑动破坏。对于加筋土挡墙，在计算基底抗滑稳定性时，同样将加筋体视为实体墙。对非浸水条件： （4-22） 式中 抗滑稳定系数；铁路规范规定不应小于1.3； 作用在基地上的竖向力总和（KN）； 墙后主动土压力的水平力总和（KN）； 墙前土压力的水平分力（KN）； 基底倾斜角（°）； 基底与地层间的摩擦系数；铁路规范规定取值在0.3 0.4之间。 地震力作用下，挡土墙的受力如图4.5所示，此时挡土墙的抗滑稳定系数为： （4-23） 式中 地震主动土压力的总水平分力（KN）； 地震主动土

44、压力的总竖向分力（KN）； 挡土墙墙身的总水平地震力（KN）；图4.5加筋土挡墙抗滑稳定性验算示意图4.3.2 倾覆稳定性计算同样，加筋土挡墙在计算倾覆稳定性时，将加筋体视为实体墙，其横向宽度会很大。因此，加筋土挡墙一般不会发生倾覆破坏。必要检算时，倾覆稳定性由倾覆稳定安全系数来衡量，其值一般会远大于1.3。按下式计算： （4-24） 式中 抗倾覆稳定性系数；铁路规范规定不应小于1.3； 稳定力系对墙趾的总力矩（KN·m）； 倾覆力系对墙趾的总力矩（KN·m）。4.3.3 基底承载能力计算在计算基底承载能力时，先计算基底合力偏心距（）： （4-25）式中 基底合力偏心距（m

45、）；土质地基不应大于，岩石地基不应大于 ； 基底宽度（m）； 作用作用于基底上的垂直分力对墙趾的力臂（m）； 作用在基地上的总竖向力（KN）。 （4-26） 式中 挡土墙趾部的压应力（KPa）； 挡土墙踵部的压应力（KPa）。 基底压应力不应大于地基的容许承载能力，否则，应重新进行设计或进行地基加固处理。5加筋土挡土墙的制作和施工5.1 加筋土挡土墙施工特征（1）早期加筋土挡土墙的填料，仅限于使用渗水性较好的粗粒土，因此推广运用加筋土挡土墙存在一定的局限性。近年来随着加筋土技术的发展，在采用不透水填料上，已摸索出一套成功的经验，其中包括黄土、黏性土、工业废渣及稳定土等。黄土。主要缺点是浸水后会

46、产生较大的侧向变形而失去稳定。因此在设计和施工中应加强防、排水设施，杜绝水源入侵墙体。此外，为防止侧向变形而引起的应力集中，可适当加强墙面板的强度和刚度。当采取以上措施后，黄土成为比较好的加筋体填料。黏性土。随着含水率和细粒含量的增加，筋带与土之间的摩擦力逐渐降低。在施工中，若能在略小于或等于最佳含水率条件下保证填筑的压实度，对渗水部分进行封闭，防止地面水或地下水的浸入，可同样作为加筋体的填料。粉煤灰。经压实后的粉煤灰工程性质良好，变形适应性和强度稳定性较高，与筋带摩阻效果好，施工简便易于操作，特别对软土地基上的高填土支挡工程，有着独特的优越性。（2）刚带的特点是拉力大、变形小、使用寿命长。但

47、由于价格相对较高，加工制作量大，联结不方便，热喷涂防腐工艺只能在少数工厂进行，因此，尚未得以大量采用。随着钢产量的增加，钢材价格降低及高等级公路建设的需要，已具备了推广应用钢带的条件。（3）钢筋混凝土带具有强度高、变形小、抗拉拔力大等特点，在工程中使用效果较好。但其造价比聚丙烯土工带高出一倍以上，制作与安装复杂，街头的防腐工作量大。（4）理论上钢塑土工加筋带抗腐蚀性好，使用寿命长，造价省。实际应用中，复合材料的整体受力性能尚需观察和研究，其制作加工简单，接长或与面板连接方便，施工较为简便。（5）对聚丙烯土工加筋带的容许蠕变控制值，筋带的老化问题以及在填料中可能引起破坏的化学物质，已积累了一些试

48、验研究成果及分析资料，但尚未完全认识，缺少较长时间的现场观测与考验。因此在应用聚丙烯土工筋带时，筋带材料检验及加筋体施工，均应持慎重态度。塑料土工格栅也是应用于加筋土挡土墙的土工合成材料之一，我国已制定了国家技术标准(GB-T17689)。据国外资料介绍，采用高密度聚乙烯(HDPE)的格栅筋带材料，设计使用寿命可达120年。（6）钢筋混凝土加筋带用挖槽法铺设时，虽然底槽不易达到精确平整，但为了保证填料压实度的均质性，避免压路机直接碾压筋带的过薄填料覆盖层上碾压，造成筋带损伤破碎，故仍规定应挖槽铺设。（7）聚乙烯土工加筋带、聚丙烯土工加筋带在面板拉环或预留孔中穿过时，不得绕死结，以免因超过筋带的

49、抗弯折强度而影响筋带使用寿命。5.2 施工准备及原材料选择（1）施工单位在接受任务后，应建立正常的施工秩序，尽快做好各项准备工作。其中包括清理场地，布置现场和安排施工所需劳力、材料、工具、机械等的分期、分批、有序进场。（2）测量放样的主要内容，一是在施工准备阶段，对设计单位提交的重要测量数据及标志进行复核或加固；二是在施工阶段中，对挡土墙的墙身进行放样，核实墙长、位置是否正确，如发现错误，及时纠正。因此，施工单位必须进行复测工作。（3）高速公路和一级公路水准点闭合差为±20(mm)；二级以下公路水准点闭合差为±30(mm)。（4）现场核对的重点是根据实际地形核查设计图中挡土

50、墙布置、沉降缝设置是否合理，基础埋置深度及地质描述与实际地基情况是否符合，挡土墙两端与路基或构造物连接是否平顺、稳定等。（5）挡土墙在施工中，一般都附属在路基范围内，故挡土墙的施工组织设计可配合路基施工方案统一编制。其主要内容为：工程特点和施工环境；主要施工方法和所采取的相应技术措施；施工布置及现场布置的平面图；根据工程量制定所需人力、机械、材料、车辆运输和开工、完工日期等计划。（6）挡土墙的水泥材料，应按进场日期先到先用，散装水泥必须采用适当的密闭仓储设备贮存，以防止受潮变质、流失或污染环境14。5.3 加筋土挡土墙基础施工1、根据设计图纸及测量资料，实地放样，确定加筋土挡土墙基础位置。2、

51、根据设计图纸开挖基坑，排除地下水，做好防水工作。基坑开挖到位后，对地基进行承载力检测，根据承载力试验情况，回填0.51.0m厚的碎石垫层。回填碎石时分层夯填，每层充分夯实整平，同时保证有足够的宽度，报请监理工程师检查签认后进行下道工序施工。3、在碎石基础上安装模型，报请监理工程师检查，合格后浇筑C15混凝土，充分振捣密实。混凝土基础每15m设置伸缩缝或沉降缝一道，表面整平，待强度满足要求后拆除模型。基础混凝土在挡墙外5cm的前挡，与墙面板整体现浇。4、本条对有渗水基坑的开挖作了增大面积的规定，无渗水基坑开挖的尺寸，可以省去因设置排水系统所需的面积，对土质密实，不需设置基础模板的基坑，可按基底平面