加筋挡墙在山区变电工程中研究与应用

超高加筋土挡墙在山区变电工程中研究与应用1超高加筋土挡墙在山区变电工程中研究与应用的意义

我国在古代就应用了植物加筋填土技术，进行地基和土工构筑物加固处理，取得了良好的实效。现代土工加筋方法由法国建筑工程师亨瑞威尔在1960年早期采用。他的研究引导了加筋技术的产生和发展,最早采用的是钢带加固，而后广泛应用了高分子聚合物加筋材料。1979年云南省煤炭设计院在云南田坝矿区建成了我国第一座加筋土挡墙储煤仓成为我国引入现代加筋土技术的标志。加筋土技术的设计理论和施工技术也日趋成熟，其应用领域也不断扩大，迄今已在全国建成加筋土工程逾千座，取得了巨大的经济效益和显著的社会效益。在电力系统膨胀土地区330kV变电工程中应用尚无先例。1.1加筋土挡墙的技术特点

加筋土挡墙与传统的钢筋混凝土和圬工挡墙相比有许多优点,表现在:施工过程简便、快速,不需要大型的施工机械。施工时不需要特殊技术人员。与其他结构相比,需要较少的现场准备工作。施工时占用场地更小。减少道路用地要求。加筋土结构能适应地基沉降变形能力强,故不需要坚固的地基。造价经济。可节省工程造价25％～50％。高于25ｍ的墙体,技术可行。加筋土挡墙最大的优点在于它对软弱地基的适应性和承受变形的能力。根据在地震活动地区的观察,这种结构证明了它具有比刚性混凝土结构更高的抗震能力。

1.2膨胀土地区山区变电工程出现的问题1山区变电工程出现的问题

由于变电站的选址要求,站址常位于山区,山区地势起伏不定，地质颇为复杂。平整场地往往采用挡土墙结构，由于地势起伏回填土层不均匀，虽然地基满足承载力的要求,但因为回填土和原状土存在压缩性差异,地基的不均匀沉降会导致建筑物产生楼板开裂、墙体产生裂缝等现象．变电站工程属生命线工程，对侧向和竖向差异变形控制及要求非常严格，本课题的目的就是要严格控制超高挡土墙的以上两种变形和膨胀土的不良地质作用，确保变电站的安全运行．2膨胀土的特性

膨胀土即指土的粘土矿物成分中富含亲水性粘土矿物,以强亲水的蒙脱石和伊利石为主，具有吸水显著膨胀软化,失水急剧收缩硬裂,以及往复湿胀干缩特性的高塑性粘性土。当膨胀土作为回填土时，膨胀土的侧向和竖向膨胀变形会引起地基裂缝和不均匀沉降，给工程设计和建设带来了严峻的考验。1.2膨胀土地区山区变电工程出现的问题1.3超高加筋土挡墙在山区变电工程中应用

加筋土结构由于拉筋具有柔性，能较好地随土下沉而变形，充分利用材料的性能以及与筋带的共同作用，因而能克服较大沉降差异。

在山区变电工程，尤其是膨胀土地区的山区变电工程，在变电站站区采用超高加筋土挡墙技术，不仅能大大降低工程造价，更重要的是能保证整个变电站站区及站内建构筑物的安全、达到站内电气设备对沉降、变形的要求。从而为变电站的安全运行提供有力保障，具有很好的安全效益、社会效益和很大的经济效益。1.4课题依托工程及项目●

本课题结合330kV金州变工程330kV金州变电站工程：位于xx市关庙镇一个哑铃形的山顶，东南侧场地高差约１9m；场地分布弱膨胀性土，作为填筑材料压实后，尽管填土比较密实，但浸水后仍有较大的膨胀变形，不利于变电站地基稳定；该工程采用了弱膨胀性土的加筋土挡墙维持填土地基工程的稳定措施。●本课题结合国家自然基金项目非饱和土等效固结变形试验研究与理论分析，项目编号50779054

总平面及竖向布置图膨胀土的基本力学参数

330kV金州变工程填土为膨胀土，而填土的基本力学参数是进行加筋土室内模型试验成果分析和挡土墙稳定性验算的基础，从现场取土分别进行了室内膨胀土力学参数试验和加筋土模拟试验。室内模型试验主要分析筋带与填土之间的摩阻和抗拔特性，进行单根筋带填埋于填土中拉拔过程的荷载与位移变化，揭示筋带在填土中的实际受力状态，验证设计的合理性，保证加筋土挡墙的稳定性。模型试验的设计

模型试验利用xx理工大学为本项目自主研制开发的加筋土模型试验机，最大限度地模拟现场加筋土挡墙中筋带与填土之间的作用机理，探讨和研究二者之间的摩擦相互作用特性，以及加筋土挡墙的稳定性与筋带的抗拉拔特性、破坏形式之间的变化规律，从而获得基本的物理力学参数，为现场加筋土挡墙的设计和施工提供必要的基础和条件。1加筋土模拟试验机

模型试验机由模型试验槽、土层上覆荷载模拟加压系统、锚固拉拔系统和加筋带应力应变量测系统四部分构成。2.4拉拔模型试验1试验内容：试验依据《公路加筋土工程设计规范》(JTJ/015--91)进行。具体试验内容如下：(1)不同长度筋带，在不同上覆压力时的拉拔试验；(2)沿筋带不同长度的应力和应变测试；(3)不同的填土压实度时，筋带的拉拔试验。通过以上试验可以测试筋带的握裹力，筋带的抗拉拔强度，沿筋带的应力分布情况，研究填土与筋带之间的摩擦力作用机理。2.5试验部分结果1拉拔力与拉拔位移关系（不同筋带长度和干密度）2极限拉拔力与上覆压力之间的关系

3筋带长度与应变之间的关系（不同上覆压力）

2.6室内试验的结论与建议

(1)筋带内钢丝和聚合物之间滑动摩擦力，即握裹力大小，由于实际工程中聚合物的表面承受上覆土压力，因此这种握裹力与单纯对筋带测试得到的握裹力不同，只有通过模型试验才能得到，这种摩擦力又通过聚合物传递给土体，是此时加筋提供给土体的加固力。对不同阶段的变形和受力机理研究清楚，才能提出切实可行、安全可靠的设计方案。（2）在试验中观察到拉筋带钢丝与聚氯乙烯材料之间有时会发生滑移、筋带被拉断（上覆压力较高）和筋带被拔出（上覆压力比较低）的现象,当筋带内拉力达到聚合物与钢丝之间的握裹力后，即产生相对滑移，表现为聚合物延伸率增大；聚合物延伸变形的结果使其发生拉断破坏。筋带抗拉拔力与握裹力和钢丝表面的聚合物性质有关。挡土墙结构中底部拉筋的设置应当避免发生滑移现象。（3）筋带的极限抗拉拔力强度随筋带长度的增大呈非线性增长变化，且增长幅度逐渐趋于一个极限值，与刚性带（钢板带等）的变化规律不同。对现有的刚性带设计方法应做出修正；（4）拉拔力施加端筋带的变形发展突出，聚合物钢丝之间首先产生相对滑动变形。筋带周围土的摩阻作用使筋带保护层的变形减小，且距拉拔端越远变形越小；（5）筋带长度与抗拉拔力成非线性增长关系。当钢塑带作为支挡结构拉筋材料时,考虑填土特性及上部加载压力影响来决定拉筋长度是非常重要的。粗粒料是加筋土工程的优选填料,填土的密实度对拉筋抗拔力的发挥影响十分显著。因此,施工中要注意填土的密实度；（6）CAT钢塑复合拉筋带的主要受力部分是聚氯乙烯内裹的钢丝。钢丝同聚氯乙烯外壳的摩擦力得到了保证才能保证整个筋带同土的摩擦性质。即在高填土的设计中要避免筋带滑移现象的产生，并且在选择拉筋带时要选择表面粗糙和利于施工的拉筋带；（7）摩阻力随上覆压力增加而增加。当超过某个数值时(本次试验是400kPa左右),摩阻随增加不明显,并逐渐趋于稳定；（8）用传统的计算公式得出的结论是：随着筋带长度的增加，筋带能够提供的摩擦力就越大；但是从试验得出的结论是：土与筋带之间的摩擦力不仅与长度有关，而且还与筋带的握裹力有关。筋带的握裹力是决定挡土墙稳定性的一个关键因素；（9）拉筋受拉变形，使填土土体受到扰动，引起竖直土压力重新分布，由于土的自然成拱作用，重新分布后的竖直压应力值在其重新分布前的总值中所占的比例将随填土高度的增加而减少。3加筋土挡墙的设计与验算3.1根据加筋土挡墙规范对330金州变工程进行了挡土墙设计3.2330kV金州变加筋土挡墙稳定性验算内部稳定性验算应用应力分析法和楔体分析法两种分析方法并且结合室内试验得到的拉筋应力应变关系及拉拔力和握裹力与上覆压力的关系，对加筋土体进行了拉筋拉力计算、加筋材料抗拉稳定性分析、抗拔稳定性分析、握裹力稳定性分析。

外部稳定性验算外部稳定性验算，包括滑动稳定性验算、倾覆稳定性验算、地基应力验算和整体稳定性分析。考虑场地环境影响条件下加筋土挡墙稳定性，还对挡土墙进行了浸水挡墙验算和抗震挡墙验算。整体稳定性分析

整体稳定性分析，即加筋体随地基一起滑动的验算，其目的在于确定潜在破裂面的安全系数。在进行验算时，对于如何考虑埋置于土中的筋带效果，至今尚无确切和统一的方法。本课题采用的方法有以下两种：（1）不考虑筋带作用，筋带长度不超过可能的滑动面，可以按普通的圆弧法计算，即不考虑筋带的作用。（2）考虑筋带作用，破裂面穿过筋带时，将伸入滑弧后面的筋带长度产生的摩阻力和筋带的抗拉强度两者的小值对滑弧圆心取矩，视为稳定力矩。筋带的作用按两种方法考虑：①假定筋带作用力沿筋带方向；②假定筋带作用力沿圆弧滑动面切向。综上所述，330kV金州变电站加筋土挡墙工程稳定性满足要求4加筋土挡墙在山区变电工程现场监测

330kV金州变工程加筋土挡墙主体工程设计最高高度1１米，填土料为膨胀土，在内部因素(膨胀)和外部自然条件(雨季)的影响下，加筋土挡墙的工作性态和安全状况时刻在发生着变化。为了确保施工的合理化进行以及膨胀性土加筋土挡墙的稳定性，我们就该加筋土挡墙的几个特征断面进行监测，旨在及时发现安全隐患问题，采取有效措施，保证挡土墙工程的稳定性；不仅如此，现场监测还可以验证设计参数，对挡土墙的施工工艺进行评价和改进等。

4.1监测内容1竖向土压力和侧向土压力的监测，可以了解挡土墙墙背所承受的侧向土压力，以及土压力随填土高度的变化情况。因为侧向土压力过大会导致面板向外凸出，给加筋土挡墙的稳定性带来威胁。2变形观测，可以发现不利于挡土墙的侧向位移和不均匀沉降，直观的反映出位于膨胀土地区的该工程的施工质量。3加筋带应变的监测，有助于了解挡土墙内部土体与筋带的作用机理、筋带应力的发挥水平以及滑坡面的位置。5本课题的主要成果（一）室内试验成果:①通过室内弱膨胀土基本力学参数试验和填土料的三轴剪切试验分析，得到了xx地区弱膨胀土基本力学参数和剪切强度参数；②自主研制开发了一种加筋土模型试验机，使模拟现场加筋土挡墙中筋带与填土的作用机理的室内试验成为可能，为研究加筋土作用机理打下了基础；③通过筋带拉拔室内模型试验分析筋带与填土之间的摩阻和抗拔特性，揭示筋带在填土中的实际受力状态及筋带与填土间相互作用，以及加筋土挡墙的稳定性与筋带的抗拉拔特性、破坏形式之间的变化规律，从而获得基本的物理力学参数，为现场加筋土挡墙的设计和施工提供必要的基础和条件。（二）现场监测成果①填土地基压实系数低，不均匀，地基土压缩变形大，造成了填土场地在其自重作用下的沉降变形较大，原填土地基比较压缩变形不均匀。因此，填土地基压实系数和填土质量直接影响了加筋土挡墙的变形及其均匀性；②依据挡墙墙面勾缝的完整性可以看出，墙体的侧向位移较小，跌水井两侧没有出现侧向位移而导致的拉裂缝。加筋土挡墙填土有效的约束了填土侧向位移。③现场监测验证了加筋土挡墙的设计参数，在施工工程中不断改进设计方案，对挡土墙的施工工艺进行了评价和改进。

（三）加筋土挡墙设计与施工成果①在膨胀土地区330kV变电工程中首次应用了超高加筋土挡墙。通过模型试验与现场监测分析，表明加筋土挡墙稳定可靠。积累了设计参数与实践经验；超高加筋挡土墙变电站场地建设占地少，节约农田，能够保证变电站的安全，比常规的扶壁式钢筋混凝土挡土墙节约造价约46%，为膨胀土复杂地区变电站建设提供了一条新的、经济的蹊径。②330kV金州变工程加筋土挡墙经受住了雨季施工等不良条件的考验，工程完工两年以来，挡土墙运行良好，达到了加筋土挡墙的稳定性要求，为今后变电站超高挡墙的处理开辟了一条新的