城市道路高填土(18m)加筋格宾挡土墙设计案例

城市道路高填土（18m）加筋格宾挡土墙设计案例
以学苑路道路工程实例，介绍了复合加筋格宾挡墙的特点，提出了在城市地形复杂情况下如何有序布置支挡结构，合理利用有限空间的挡墙工程设计方案，并利用极限平衡理论，通过加筋土专业设计软件对其进行了稳定性计算与分析，经实践证明施工与应用效果良好，验证了设计方案的可行性。

标签：道路和边坡工程；加筋格宾；土工格栅；路面荷载；稳定性分析
引言：近年来城市建设速度不断加快，质量不断提高，新理念、新思想、新材料的提出与应用越发必要，复合加筋格宾挡墙是一种近年来逐渐被广泛应用的新型的支挡工程，它的主要优点有施工操作简单、工程造价便宜，具有较好的工程性能、绿色环保功能。

目前在国内，该类型挡墙越来越多地被应用于市政、铁路、公路、水利工程等建设中，尤其是在城市道路基础建设中，高填方、高陡坡、高受限路基工程非常多，受到城市建设发展或者环境因素等的制约，传统的路基支挡结构已很难满足要求，复合加筋格宾挡墙作为一种新型的支挡结构工程能够很好地适应于如今的各种需求。

本文主要介绍了复合加筋格宾墙的特点，以临湘市学苑路道路工程高填方边坡的实际应用工程为例，借助参数分析和数值模拟手段揭示土体强度参数、土工格栅加固方式等因素对边坡土压力和稳定性的影响，对路基设计中采用复合加筋格宾挡墙进行了设计计算分析与应用研究。

设计成果对高填方城市道路路基边坡的施工和支护有一定的借鉴意义。

1、设计方案
该工程为临湘市学苑路道路工程，其中K0+300-K0+600段道路右侧为填方路堤边坡，地形高差为18m，由于项目位于城市中心紧邻铁路，占地紧张，需采用高大挡墙进行支挡防护，设计上部路面荷载考虑20kPa。

设计采用加筋格宾路肩墙进行支挡，挡墙面墙坡比1：0.15，挡墙底部埋深不得小于1m；加筋格宾挡墙底部需坐落在符合要求的持力层上，否则需根据实际地基土情况以及现场条件进行地基处理。

加筋格宾顶部和底部需设置截排水措施；背部设置麦克排水垫W1061，利用排水垫“W”型全断面排水通道快速汇集墙后水分结合碎石排水层并将其排出至墙体外。

加筋格宾面墙网箱内填充石料，加筋格宾挡墙面墙后需铺设聚酯长纤无纺布反滤，施工折边每侧0.3m。

（见图1-1）
2、基础资料和数据
2.1、加筋格宾挡墙设计原理
路基填土在自重或外力（道路荷载等）作用下易产生的严重的变形或倒塌，若在土中沿应变方向埋置筋材（双绞合金属网或土工合成材料），则与土与筋材产生摩擦，使加筋土犹如具有了某种程度的粘着性，从而改良了土的力学特性。

其力学原理类
似于钢筋混凝土。

如果通过常规三轴试验，则发现加筋材料通过摩擦作用给土体施加了一个围压，使得土体的抗剪强度提高。

2.2地质资料
2.3荷载组合
正常使用工况，公路车辆荷载20Kpa。

3、加筋土相关的计算参数选取方法
3.1筋材长期允许抗拉强度
3.1.1六角形双绞合金属网的长期允许抗拉强度
六角形双绞合金属网的长期允许抗拉强度（60年），按下式计算：
（1）根据欧标ENl0223-3 2013第9.3节描述的测试程序，在拉伸实验中得到网面型号为8x10，网面钢丝直径为2.7mm的双绞合网片极限抗拉强度的最小值：
（2）
其中，并不考虑镀层和PVC外套对网面抗拉强度的贡献。

3.1.2土工格栅长期允许抗拉强度
格栅长期允许抗拉强度为加筋土工程中的关键性因素，其长期耐久折减系数可根据相关材料测试标准获得，根据美国联邦公路局《加筋土挡墙和边坡设计和施工指南》，土工格栅的长期设计强度通过下式中得到：
3.2筋土相互作用系数（Ci）
3.2.1六角形双绞合金属网一土相互作用系数（Ci）
六角形双绞合金属网一土相互作用系数Ci通过抗拔试验确定，对于六角形双绞合网，目前国内尚无可供遵循的试验标准，可以参考土工格栅抗拔试验方法
确定。

根据国外的相关的研究成果，针对不同土质条件选用相应的相互作用系数，见表3。

3.2.2土工格栅-土相互作用系数（Ci）
通過试验，可以得到MacGfid WG系列土工格栅的筋土相互作用系数，如表4所示：
3.3土工格栅技术参数
4、稳定验算方法
4.1内部稳定验算
加筋土结构的内部稳定性包括两部分内容：1、单根筋带的抗拉计算，在布置筋材时先根据手算计算结果初步确定筋材的强度及间距；2、基于条分法计算原理并考虑筋材作用，计算每个加筋结构块体的内部整体稳定性，并根据计算结果优化筋材布置，如筋材强度、间距、长度等，使筋材的布置更加均衡，此部分计算量繁重，采用软件进行计算。

4.1.1单根筋带抗拉的验算
加筋格宾第i层筋材所受到的水平拉力Ti等于该层筋材受到的水平土压应力（包含加筋土填料作用于深度zi处的水平土压应力、车辆（或人群）附加荷载作用于深度zi处的水平土压应力、加筋体顶面以上填土重力换算均布土厚所引起的深度zi处的水平土压应力）与筋材间距之积，即
4.1.2内部整体稳定性验算
内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法，通过软件搜索最不利滑面，这些计算滑面中近似包含了0.3H折线破裂面和朗肯破裂面。

简化毕肖普法假定滑裂面是圆弧面，考虑了土条两侧条间力的作用，满足整体力矩及每一土条的垂直力的平衡。

安全系数为抗滑力矩与下滑力矩间的比值：加筋单元在截断滑动面的区域内可增加坡体的稳定性，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、滑弧前面筋带长度所产生的摩阻力和筋带的抗拉强度三者的小值对滑弧圆心取矩，视为稳定力矩。

考虑加筋单元作用的安全系数如下：
在进行内部整体稳定性分析采用简化毕肖普法时计算繁琐，采用计算机进行。

4.2外部稳定性验算
加筋土挡土墙的外部稳定性分析中视加筋体为刚体，其分析项目包括：土压力计算、基底滑移验算、倾覆稳定性验算、基础底面地基承载力验算。

4.2.1土压力计算
MacStars软件中土压力计算方法采用库尔曼图解法，库尔曼图解法是以库伦理论为基础的一种确定土压力的图解方法。

它的基本原理是利用假定多个不同的破裂滑动面，由相应的滑动土楔体上力的平衡条件，画出力多边形，以求得土压力。

主动土压力Ea是土楔体下滑时力多边形中最大的Emax，被动土压力Ep是土楔体上推力时力多边形中最小的Emin。

MacStars软件计算时，其中默认土压力合力方向水平，此时计算出的外部稳定性安全系数是趋于保守考虑的。

4.2.2抗滑稳定性验算
基底抗滑稳定系数FS，按下式计算：
4.2.3抗倾覆稳定性验算
抗倾覆稳定系数Ko按下式计算：
4.2.4地基承载力验算
设计中MacStars软件主要是计算出加筋土所需要的等效基底压力σv。

MacStm’s软件中σv等效基底压力计算时采用的梅耶霍夫分布，即当考虑加筋体后填土土压力影响时，用B-2e代替拉筋长度B，假定在B-2e的长度上竖向应力为均匀分析，此时：
4.3整体稳定性验算
MacStars软件在进行整体稳定性分析时，一般采用简化毕肖普法和简化简布法进行计算，其计算理论和我国的规范是完全一致的。

Bishop法仅适用于圆弧滑动面，但实际工程中常常会遇到非圆弧滑动面的土坡稳定分析问题，如土坡下面有软弱夹层存在或者倾斜岩层面上的土坡，滑动面形状由于受到夹层或硬层的影响呈非圆弧的形状，此时采用圆弧滑动法分析就不太适用了，针对这种情况，采用Janhu折线法进行分析。

4.4验算结果
4.4.1内部稳定验算结果
块体内部稳定分析安全系数如下表所示：（见图4-1）
4.4.2外部稳定验算结果
4.4.3整体稳定验算结果
本次整体稳定采用Bishop法进行校核，稳定验算结果如下所示：
通过马克菲尔公司软件Macstars W分析，18m高加筋土挡墙加筋土内部及外部稳定性均满足规范要求。

其中，正常工况下挡墙最大基底压应力为309kPa，挡墙底部坐落于粉质粘土层-⑤（承载力基本允许值220kPa），地基承载力不能满足要求，进行换填加固處理后满足设计要求。

（见图4-4、图4-5）
5、结论
本文以临湘市学苑路道路工程为工程背景，借助极限分析上限法和数值模拟对该路段路基边坡进行了稳定性分析，通过计算挡墙的主、被动土压力随着单层土工格栅拉力T和安全系数Fs的变化呈现线性变化的规律，而随坡角β呈非线性变化；且主动土压力随着T、3-32格栅布设层数n的增大而减小，随着坡角β、地震力系数kh、坡顶荷载q和安全系数Fs的增大而增加；而被动土压力随参数变化的规律相反。

数值模拟研究表明，该路段边坡无论从内部稳定性方面还是整体稳定性角度考虑，其计算安全系数均超过规范允许最小值，边坡稳定性状态良好。

现工程已施工完毕，结合实际工程的应用说明复合加筋格宾挡墙结构通过采用高强土工格栅和格宾单元的结合，进一步提高了结构的安全和变形性能，工程性能优越，施工简单，对于高陡边坡路基具有很好的适用性，对今后市政道路工程中修建类似高陡边坡支挡结构具有一定的参考和借鉴价值。