加筋土挡墙的设计

改造者：史 震

加筋土挡墙的设计

改造者：史 震

加筋土挡墙作为一种较为常见的道路支挡结构，目前普遍应用于公路、铁路、建筑等行业。本文对加筋土挡墙挡起源、特点、设计原理进行了简要论述，为加筋土挡墙的设计及应用提供参考。

概述

加筋土是指在土体中加入筋带等类似材料的复合土，在土体中加筋后，土体的抗剪强度明显提高，增加土体的整体稳定性。加筋土理论的提出可追溯到上世纪60年代，当时的法国人亨利维达尔通过实验发现，在土中掺入纤维材料时，其强度及稳定性将得到大幅度的提升，随即提出了加筋土设计理论。在接下来的5年中，加筋土结构引起了整个欧洲乃至世界各国的关注，不断将加筋土结构运用于实际工程中，并对这一理论进行了系统的研究，从最初的道路支挡结构扩展到堤坝、护岸以及建筑基础等多个领域，成为一种应用广泛的结构类型。我国从上世纪80年代开始对加筋土结构进行研究，并广泛应用在公路、铁路、建筑等行业，而在应用最为广泛的公路方面，则以挡墙、边坡防护等为主。目前国内对加筋土结构的理论研究已接近国际先进水平。

加筋土挡墙的特点

在实际应用过程中，加筋土挡墙不同于传统重力挡墙的多项特点使其优势越来越明显，总体说来有以下几点。

（1）占地少。与普通重力式挡墙不同，加筋土挡墙属于柔性结构，对基础要求低，高度可轻松超越传统支挡结构，而且墙面可为垂直，从而很大程度上减少占地面积。这一点对于城市、山区等用地紧张且放坡困难的地区来说，有着巨大的经济意义。

（2）造价低。加筋土挡墙面板薄，而且基础尺寸较小，与普通重力是挡墙相比，可节省90％～95％的圬工数量，工程造价比石砌挡墙或钢筋混凝土挡墙减少20％～60％。而且随着挡墙高度的增加，节省的资金也越多。这一点对于安全性与经济性并重的当今社会来说，是相当重要的。

（3）施工简便。组成加筋土挡墙的构件主要包括面板、拉筋、基础等，以上主要构件均可预先制作，除墙后填土需要机械压实外，不需要再配置其他机械设备，施工过程易于掌握把控，安全性高，且工期较短，节省劳动力。

（4）抗震性好。由于加筋土挡墙为柔性结构，与传统重力式挡墙相比，拥有更好的抗震性，可应用于地震发生频繁的地区。

（5）造型美观。加筋土挡墙的面板可根据实际需要设计成各种造型，拼装后形成外形美观的建筑物，适应周边环境的同时，改善道路沿线景观效果。

加筋土挡墙的设计

加筋土挡墙与传统重力是挡墙在概念上与构造上都不相同。重力式挡墙是依靠自身重量抵抗墙后滑移面内的侧向土压力。而加筋土挡墙则是通过埋入土体内的拉筋把土体分成若干区域，通过拉筋与土体的摩擦作用抵抗土体侧向压力，防止土体产生滑动，保持结构稳定。

加筋土挡墙的设计方法主要包括极限平衡法，极限状态法以及有限元法三种。极限平衡法与极限状态法主要用于分析挡土墙破坏时的安全系数，有限元法用于分析加筋土挡墙在工作状态和破坏状态下拉筋的拉力分布以及土体的变形情况。加筋土挡墙的设计计算内容包括主要为内部稳定性分析、外部稳定性分析。

（1）内部稳定性分析

加筋土挡墙内部稳定性分析包括拉筋的拉力计算、拉筋强度验算以及拉筋长度的确定。而其中的拉筋拉力计算又是设计者关注的热点。加筋土理论发展初期，人们通常使用朗金库论法计算拉筋拉力，也就是认为墙后土体的破裂面与水平线成（45°+φ/2）。然而在之后的众多实验表明，实际的破裂面与朗金库论理论破裂面不符，滑移体顶宽由H/tan（45°+φ/2）缩小至小于等于0.3倍的墙高。造成这一现象的主要原因是由于朗金库论法确定的破裂面为单纯土体破裂面，加筋土挡墙拉筋伸入墙背土体后，与土体结合形成“复合材料”，这种“复合材料”与单纯土体相比拥有更高的稳定性，因此，在加筋土挡墙设计时采用朗金库论法就会得到相对保守的结果，而采用复合材料理论，则更贴近实际。这一理论后来取代朗金库论法，并得到广泛认同。复合材料法根据作用在拉筋上的垂直应力分布情况计算拉筋拉力，我国现行的《公路加筋土工程设计规范》采用的也是垂直应力分布法。

（2）外部稳定性分析

加筋土挡墙外部稳定性分析包括滑移稳定分析、倾覆稳定分析、基底应力计算、整体稳定性分析。其中滑移稳定分析、倾覆稳定分析、基底应力计算与重力式挡墙类似，在多种荷载组合条件下，滑移稳定系数需大于1.3，倾覆稳定系数需大于1.5，基底应力需小于地基容许承载力。整体抗滑稳定性分析，是确定潜在破裂面的稳定系数分析，即判别加筋土挡墙是否会随着地基一起滑动，这一分析常采用圆弧滑动面法进行验算。具体验算方法有以下三种。

假定拉筋长不超过可能的滑动面，可按照普通圆弧法进行稳定性分析。见图1。

假定破裂面穿过拉筋，在加筋体部分考虑因拉筋产生的黏聚力，将该力视为稳定力，计入稳定力矩中。

假定破裂面穿过拉筋，将伸入破裂面的拉筋产生的抗拔力对圆心取矩，视为稳定力，当拉筋强度小于抗拔力时，以抗拉强度控制，计算稳定力矩。

在《公路加筋土工程设计规范》中，推荐按照方法一进行计算，则计算公式具体如下：

图1　

Ci、Li 第i条块滑动面上的黏聚力（千帕）与弧长（m）

Wi 第i条块自重及其荷载重（千牛）

φi 第i条块滑动面上的内摩擦角

αi 第i条块滑动圆弧的法线与竖直线的夹角

在多种荷载组合条件下，整体滑动稳定系数需大于1.25。

结语

加筋土挡墙以其自身占地少、造价省、施工简单等多方面的优势，成为目前公路、铁路、建筑等行业中较为常见的一种支挡结构。随着理论研究的深入，在未来此类结构的设计将更加贴近实际，使结构更加安全稳定，耐久实用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.038