（水工结构工程专业论文）加筋土挡墙设计方法对比分析研究.pdf

摘要 加筋土挡墙的应用历史悠久，加筋土挡墙的设计方法目前也有很多。各种方法 都有各自不同特点，探讨从中选择出较为经济合理的实用设计方法具有重要意义。 本文论述了加筋土挡墙的发展情况，介绍和分析了加筋土挡墙的主要设计方法，讨 沦了没计参数的选取问题，选出了两种典型设计方法，即d i b t 法和g b 法，并分别 用这两种方法进行了筋材用量和造价的对比计算。通过对不同墙高的加筋士挡墙进 行的经济对比和技术分析，同时结合工程实例，提出了d i b t 法应作为设计中的首选 方法的观点，最后提出了有关加筋土挡墙设计方面的建议。 实用的加筋土挡墙设计大都采用极限平衡法，且一般都是基于采取某种破裂面 的假设，通过以破裂面为界划分出主动区和稳定区，进而进行筋材的强度和抗拔验 算，确定筋材配嚣。通过对比计算表明，正是主要由于d i b t 法破裂面的选取与g b 法的不同，决定了两种方法的本质区别，因此，破裂面的选取直接影响了加筋土挡 墙的造价。 d i b t 和g b 法在筋材强度取值上都采取了分项系数方法。选用筋材规格相同时， 分项系数决定了筋材的设计强度值。而分项系数的变化幅度很大，相应得到的设计 强度也会变化很大，分项系数选择不当，得到不合实际的设计强度，采用这样的值 进行挡墙的设计，就可能造成加筋挡墙的各种问题，所以筋材强度分项系数应认 真加以准确选取。 加筋土挡墙设计方法的不同会影响到加筋土挡墙的设计结果和造价。通过两种 典型设计方法d i b t 法和g b 法的比较表明，作为一种双楔体法的d m t 加麓土挡墙设 计方法，考虑了加筋体内和体外多个可能破裂面，要求的筋材长度与墙高的比值较 小。用此方法设计的加筋土挡墙安全可靠、造价较低，有关加筋土挡墙设计规范修 订时应加以借鉴采用。 关键词：加筋土挡墙：设计方法；研究 a b s t r a c t 1 1 1 e 印p l i c a t i o no fr c i n f o r c e ds o i lf e t a j n i n gw a l 】h 船al o n gl i i s t o r y ，锄dm e r ca r e m 鲫l ym e t l l o d so fd e s i g no fr e i 谢0 r c e ds o i lr c t a i n i n gw a l l 吼m 吼t l y e a c ho ft h e 辩m 岫o d s o fd e s i g nh a si t sd i 丘b r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，觚dd i s c u s s i n g 也e s em e m o d st o l e c tf 吣m t h e map r a c t i c a ld e s i g nm e t h o dt h a ti sm o r ee c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l ei sj m p o r t a n t t h i s p a p e rd j s c u s s e s t h e d e v e l o p i n g c i r c u m s t a n c eo f r e j n f o r c e ds o i i r e t a i n i n gw a l i ，a n d i n t 阳d u c e sm a i nm e t t l o do f d e s i g no f r e i n f o r c c ds o i lr e t a i n i n gw a l la i l d 觚a l y 髓st 1 1 e m ，锄d d i s c u s 辨ss e l e c t i n gp r o b l e mo ft h ed e s i g np a f a l n e t e r a i l dt w ol 【i n d so f 帅i c a lm o d e l 3o f d e s i g n 撇t h o d ，n 枷e l yd i b ta n dg bm e t h o d ，w a sc h o s e n ，a i l dm e n c a l c u l a t e s 锄l o u n to f r e i n f o r c e m e n ta n dc o s to fr e i n f b r c e ds o 订r e t a i n i i l gw a j l 、v i t l lt h e s et w ok i l l d so fm 砒0 d s r c s 脚i v e l yb yc o m p 撕s on _ b ym e 锄so fe c o n o m i c a lc o n n 船t 趾dt c c 重1 1 1 i q u ea l l a l y s i so n r e i n f o f c e ds o i lr e t a i n i n g 、v a l lw i t l ld i 圩b r e n th i g h ，c o m b i n 协gs o l i de x 枷p l eo f e n g i n e e r i n g a t _ c l l es 锄et i m e ，v i e w p o i n tt l l a td i b tm 砒o ds h o u i db ec h o s e n 丘r s t l y 笛m e t l l o do f d e s i g n o fr c i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ，髂p o s c d ，a 主1 df i n a 】l y ，r e l e 妇ms u g g e s t i o n so nd e s i g no f r e i n f o r c e ds o i lr e t a i l l i n gw a l l 、e r ep o s e d p r a c t i c a im e m o d so fd e s i g no f e i 耐1 0 r c e ds o i i r e t a i l l i n gw a na r em o s t i yw i t l l l e m ( l i m i te q u i l i b r i 啪m e t h o d ) ，a 1 1 dg e n e r a l l yb 船e do na s s 啪p t i o no fc e n a i nf a i l l l r e s i l r f a c e ，a i l db ya c t i v ez o n ea i l dr c s i s t a n t 枷ed i v i d e db y 黼l u r es u 嘲c ea sb o u n d a 吼a l l d t h e nt h er e i n f o r c e m e ms t r e n g t ha n dt h ea b i l i 啦o fa n t i p 山l e do u to fr e i n f o r c e m e mw e r e c a l c u l 种e da n dc h e c k e d ，a i l dl a y o u to fr e i n f o r c e m e mw a sd e t e n n i n e d b yc o m p a r a t i v e c a l c u l a t i o n ，w ec a ns e et l l a tm a i l l l yj 璐ta sd i b tm e t h o di sw 汕d i f f e r e n tf 赫l u 化删畦犯e 舶mt h a to fg bm c t l l o d e s n c ed i 虢r e n c e sb e t 、 ，e e nt l l et w ok i n d so fm e t h o dw e r e d e c i d c d w l l i c hs h o w st l l a tt l l e 1 e c t i o n0 f 船s 啪e df 越l u s u r f a c ea 丘b c t sc o s to f r e i n f o r c e ds o i lr e t a j n i n gw a l ld i r e c t l y d e t e 珊i i l i n g 也ev a l u eo fd e s 啦s 仃e n g t ho fr e i 疵r c e m e n t ，w h e 也e rd i b to rg b m e 出o d ，a r ea 1 1w i l l lp a n i a lf a c t o rm e m o d w k l et y p e so fc h o s e i lr e i n f o r c e m e n t sa r e i d e n t i c a l ，p 删a 1f a c t o rc o m e st oad e c i s i o no fd e s i g ns 骶n g t l lo fr c i 血r c e m e n t v a r i e t y r a l l g eo fp a r t i a lf h c t o ri sv e r yb i g ，s 0r c l e v a md e s i g ns 订e n g m 、v i l lc h a l l g ev e r yg r e a t l y i f p a n i a lf k t o rc h o s e ni sn o ta p p r o 州a t e ，i m p r a c t i c a ld e s i g ns 打e n g t l l 、v i l lq b t a i n e d ，a n ds u c h d e s i g no f t l l ew a w i t l lt h ed e s i g ns 订e n g t l lo f r e i n f o r c e m e n tw i l lr e s u l ti nv 甜i o u sp m b l e m s o fr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 、张l l ，s or e i n f - o r c e m e n ts n n g t l lp a n i a lf h c t o rs h o u l db et a k e n 王i l i m oa c c o u n ta n ds h o u i db ec h o s e na c c u r a t e l y d i 钎宅r e n tm e 出o do fd e s i g no fr e i n f o r c e ds o i lf e t a i m n gw a l la 符宅c t 碍s u i to fd e s i g n 鲫dc o s to fr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l b yc o m p a r i s o no ft h et w ok i n d so ft y p i c a j m e t l l o d sd i b tm e t h o da n dg bm e t h o d ，nw a sd e m o n s 嘶越e d 饥a td i b tm e m o da sak i n do f t 、v o w e d g em e t l l o dc o n s i d e r e dm a n ya s s 啪e df 甄l u r es u r f 如ei 王l s i d ea n do u t s i d er e i n f o r c e d s o i lb o d y ，a n dr e q u e s t e dr a 矗ot h a tf e h f o c e m e n tl e n g t ht oh i g ho ft h ew 始i sl o w e rt h a n t h a to f g bm e t b o d t h ew a j 】sd e s j g n e dw j t hd i b lm e t l l o da r es a f ca n dj e s sc o 州yt h a nt 1 1 a t o fg bm e t h o d ，s om ef b 珊e r 曲s e e st ob e 他f 毫f e n c ew h e nt d e v a n ts p e c j f i c a l l o n s0 n d e s i g no f r e i f l f o r c e ds o i lr c t a i m n gw a l lw 订lb er e v i s e d k e yw o r d s ：r e i i 面r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ；m e t h o do fd e s i g n ；s t l l d y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 虢埠隅衅 、 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：建杰歇导师签名： ，1计 丝睨趔：! ：罗 第l 章绪论 第1 章绪论 加筋土的应用有着悠久的历史，加筋土挡墙作为用来挡土的加筋土，也同样有 着长期的应用。由于加筋士结构有着施t 方便、造价低等诸多优点，实际中应用越 来越多，从而促进了加筋土技术实践的深入和加筋土理论的形成及其不断发展。加 筋土挡墙应用的h 益增多，研究乜越束越活跃，这都使加筋土挡墙修建技术得到较 快发展。 1 1 加筋土挡墙历史与发展的基本状况 1 1 1 加筋土与加筋土挡墙的历史回顾 加筋土是一种为了改善士的力学性质而在土中加入某种筋材所形成的复合结构 体。加筋土挡墙是以一定方式在土中加入筋材形成的起挡土作用的土筋复合体，或 者说是起挡土作用的加筋十。这种复合体利用了土的抗压和抗剪强度而通过加筋补 充了土体缺失的抗拉强度，解决了土体仅仅具有一定的抗压和抗剪强度而几乎没有 什么抗拉强度的问题，从而形成的这种复合性整体结构如同混凝土加入了钢筋形成 的钢筋混凝土结构，具有内部稳定性，同时主要因其较大的墙宽和墙高比而具有良 好的外部稳定性，因此可作为挡土挡墙起挡士作用。其结构组成主要有拉筋、填料、 墙面板( 或墙面保护层) 。加筋土挡墙是加筋支挡结构中的重要部分。 公元前2 5 0 0 年古罗马人就曾用编织的芦苇在软基上筑路。公元前2 0 0 0 年至公 元莉1 0 0 0 年，古巴比伦人曾把天然纤维加在土中建造庙宇。历经3 0 0 0 年的伊拉克 首都巴格达以北5 公里的金字神塔也采用了加筋土结构。这种加筋土结构采用不同 厚度的粘土砖配合以作为加筋村的水平布设的芦苇编织垫，此筋材的垂直间距在o 5 米至2 米。加拿大加筋土工程应用的最早实例是在1 7 世纪在f d y 海湾中，阿卡迪 亚的移民用士和树枝建造堤防( a r s e n a u l t ，1 9 5 5 ) i l 】。 在我国，古代仰韶就有在土中添加天然纤维( 添加草、麻丝等) 做筋材修筑城 墙和房屋墙体的历史。距今五六千年的仰韶遗址处的一些住房墙壁就是草泥筑成。 建于两千多年前的长城，有砦地方就是在粘土和砾石中加入柳枝做“加筋材”。汉武 建于两千多年前的长城，有些地方就是在粘土和砾石中加入柳枝做“加筋材”。汉武 帝时，就是用草枝混杂在 二内筑造长城在胶泥中均匀掺合草杆、麻丝等制造十 坯 块。2 0 世纪六七十年代仍然很多见的采用孽做筋材的传统上坯房及草辫房( 拉和辫 房) 的墙体就是典型的天然纤维加筋土。 1 1 2 力弱筋土挡墙应用与研究现状 历史上早期加筋土工程的应用还只停留在感性和实践经验阶段并没有形成系 统的自q 颤生理论瓤完善的规荔土挡墙设计方法。 1 9 2 5 年美国的m u n s t e r 为加筋土结构现代理论概念的形成做了很有意义的工作， t 他采用木制加筋条和轻型面板修建了一座挡土墙，而工程师c o y n e ( 1 9 3 0 j 和 l 矗l e m a n d ( 1 9 7 5 ) 【2 1 则为改进这一技术散了一系列的现场试验。随后，c 雒a g r a 瞄e 提出 了加筋土结构的现代概念。然而，实用的加筋土理论和加筋土挡墙设计理论则是在 1 9 6 3 年由法国工程师享利维达尔( h v i d a l ) 在试验基础上提出的。根据他的这一理 论，1 9 6 5 年在法国比秘牛斯出酶普拉聂尔额( p f a 萨鹏s 成功修筑了世界上第一座具有 科学理论指导的加筋土挡墙，所用的筋材为钢带。1 9 6 7 一1 9 6 8 年在法一意高速公路 建设上大量采用了加筋土结构，建设的挡土墙的最大高度达到了2 3 m 【3 l o1 9 6 7 年日 本弓l 进瓣筋土技术，并对脑筋土结构的抗震性进行了研究。 1 9 6 9 年美国也开始深入开展加筋土的理论和应用研究，1 9 7 0 年建造了美国的第 一座加筋土工程。从二十世纪7 0 年代后期，美国等国家采用士工网或土工织物作为 掘筋材料，进行了包裹式加筋土挡墙的试验研究，m i c h e l l 和v i l i 时首先试验包裹式 加筋士挡墙，美国林业部( u s f e s ts e r v i c e ) 分别在s i s k i ”u ( 1 9 7 4 年) 和奥林 匹克国家公园( 0 l ”叩i cn a t i o n a lf o 舱s t s ，1 9 7 5 年) 修建了包裹式加筋土挡墙，然后 稻定了设计和施工指南。在美罾联邦公路局( f c d 哪lh i g h w a y a d m i 讧仃叠n o n ，f h w a ) 的倡导下，n e wy b r k 、c o l o m d o 等州的公路部门于二十世纪8 0 年代修建了包裹式加 筋土挡墙，1 9 8 4 年开始将t 髓s 盯塑料拉伸土工格栅引入加筋土，原材料为聚乙烯 ( p d l y e m y l 即e ，p e 。从1 9 8 6 年以来，土工合成材料加筋土( m e c h a 血c a l l ys t a b i l i z e d e a f l l l ，m s e ) 在美国已开始广泛用于加筋挡土墙( m e d m n i c a i l ys t a b i l i z e d r d lw a l l s ， m s e w ) 建设中1 4 】。 1 9 7 2 年美国交通部批准了加筋土技术的使用l 卯，1 9 7 2 年至1 9 7 8 年美国已完成加 筋土工程2 9 3 项，修筑挡墙的面积达2 6 8 0 0 平方米。目前，美国应用的加筋土挡墙 接拉筋的材料来分主要有三大类：一是比较经典的以镀锌轧制钢带为拉筋。筋带与 面板采用螺栓连接。二以镀锌钢筋网为拉筋，采用钢筋插杆进行连接，结构比较新 颖；三是以亚特兰大e n s a r 公司为代表的工合成材料为拉筋的加筋挡墙，其名 称为a r e s 挡土墙【6 1 。 在1 9 6 6 年至1 9 7 9 年问，维达、歇洛舍( s c h j o s s e r ) 、龙( l o n g ) 、朱兰( j l l r a l l ) 等 人也做了很重要的加筋十试验和研究，推动了加筋十技术的应用。加拿大、澳大利 啦辞许多国家先后采并j 加筋土技术修筑了加筋二工程。国外已有朋上r 织物作加筋 材料修筑了高度达7 米的加筋土挡培的工程实例7 1 。 我国是在2 0 世纪7 0 年代开始了较系统的加筋土技术的研究和应用。借鉴国外 加箭土技术，我国在1 9 7 3 年至1 9 7 9 年闻在云南建成了中国第一批计三座加筋挡 土墙，墙的高度只有2 米至4 米。1 9 8 0 年在田坝地区又建成一座长5 7 米、高8 3 米 的加筋土挡墙。之后，建设的加筋土裆土墙数量迅速增加，所建设的墙的高度也加 大，应用的行业有公路、水运、水利、铁路、市政、煤矿等。重庆长江护岸工程曾 修建了高8 2 s 米、全长5 6 0 0 米的加筋土挡墙。陕题铜川公路修建了高度达5 l 米 的加筋土挡墙。三峡工程建设中，曾修建了5 7 米高的三级加筋士挡墙，虽然由于某 种原因挡墙的一级局部压裂坍塌，但经过加固处理后仍可继续使用。这也说明加筋 土挡墙、特别是高加筋士挡墙的建筑技术还很不完善。还有很多工作要做。为促进 加筋土技术的发展，从1 9 8 2 年到1 9 9 8 年，我国先后在武汉、昆明、重庆、济南、 泰安召开了五次全国加筋土技术经验交流会。 2 0 世纪7 0 年代后期，随着化纤工业发展迅速，美国和法国首先将土工合成材料 用于加筋土工程，1 9 7 7 年在巴黎召开了“士工织物在土工中的应用”国际会议，促 进了土工合成材料加筋材在加筋土挡墙中的应用嘲。目前的加筋土挡墙除少部分采用 金属或钢筋混凝土等作加筋材料外，大都采用各种工合成材料作筋材。1 9 s 2 年合 成材料做成的土工格栅加筋材，由英国首创以来，已成为土工合成材料加筋材中的 佼佼者，在中国、美屋、目本等许多国家应用。以工格栅为主的工合成材料加 筋材在加筋土墙中的采用，大大降低了工程成本，同时也改善了加筋土挡墙的某些 性能。 目前，针对加筋土和加筋土挡墙的试验和研究正在受到重视，加筋土机理、本 构关系的研究有很大进展、加筋上墙设计与施工水平不断提高，加筋土挡墙应用数 北京丁业大学颂仁学位论文 量越来越大，建筑的墙的高度也越来越高。所应用的领域也更加广泛，新型加筋材、 新型面板、新型筋与墙面板的连接方式、各种无面板加筋士挡墙的实际工程应用， 以及由此带来的经济、环境、社会效益，都充分显示出加筋土挡墙建筑技术f 在不 断发展和具有巨大的应用前景。 1 1 3 加筋土挡墙的优点 l 、安全可靠。如筋土挡墙起挡土作用的主要受力材料由筋材和填车斗构成，填料 为砂石土料。筋材，目前广泛采用已加入一定比例碳黑的合成材料，具有很强的耐 久性，如果埋在土中，效果更好。甚至有些可以长期暴露在外。金属等其它材料做 憝材时也要采取防腐措施。工程应用的实例已经证明，只要设计施工合理，材料本 身的耐久性和结构性可满足工程长期运行的需要。 2 、经济效益高。通常可就地取材，采用廉价的当地土和采用成本较低且相对用 量少的筋材，从丽降低了造价。位于北京市顺义县的五里仓立交工程采用的土工格 栅加筋土挡墙与传统钢筋混凝土扶臂式挡墙相比，平均节省3 5 2 工程造价。某工程 加筋土墙与石砌挡墙进行了经济比较，应用加筋土墙节省石砌墙投资的约5 0 1 9 】。 有研究者对3 米、6 米、9 ，l 米高的墙进行了钢筋混凝土挡墙和加筋土挡墙的造价对 比研究，结果表明加筋土挡墙的造价比钢筋混凝土挡培的造价分别节省了2 8 7 、 4 9 6 、1 9 3 【1 0 】，加筋土挡墙经济优势可见一斑。 3 、施工简便、施工进度快。由于一般墙面板可以预制，筋材在工厂生产，填科 一般在施工现场，只要将它们按程序进行组装式作业即可。施工简单、适合机械化 施工，现场作业效率高。 4 、适应性强、应用广泛。加筋土墙因具有很高的柔性，而能较好地适应地基变 形能力，同时因其而能够有效吸收地震能量，因此具有比刚性墙更好的抗震性能。 日本阪神大地震中，高架桥等钢筋混凝土结构破坏严重而加筋土挡墙则破坏较轻。 加筋土挡墙可广泛应用于公路、水利、工民建等很多领域。 5 、美化环境、保护环境。加筋土挡墙可以做成各种美观的外表面。如采用各种 形状的模块做墙面或采用带有图案的墙板，采用植物花革护面更具有绿化环境、净 化空气的作用。而且采用仅含有少量筋材的加筋土代替钢筋混凝土结构建造挡土墙。 会节省大量的水泥和钢材用量，有利于节省能源和保护环境，是一种理想的绿色建 筑。 由于加筋挡墙较一般圬工挡士挡墙具有以上优点，所以无论是在国内还是在 国外，挡土墙都越来越多地采用了加筋士这一结构型式。可以预见这一工省效宏的 结构形式将会获得更为广泛的推广和应用。 1 2 研究的内容 虽然加筋上挡墙有许多优点，应j h 的历史也很长，应用的领域和数量也增加很 快，但是，由f 加筋士挡墙本身的复杂性和理论研究滞后于实际应用的现实，表现 在加筋土挡墙的设计方法上，虽然有很多设计方法，可是由于对不同设计方法的比 较研究不够，导致现在世界上还没有完全公认并共同采用的设计方法，如美国有美 国的f h w 八设计方法，欧洲有欧洲的d i b t 设计方法，中国有中国的国家标准和行业 规范规定的设计方法，等等。设计方法的不同会使筋材布置和墙的造价等设计结果 产生不同，有的甚至结果差别很大。在这些方法中，应该有个比较好的设计方法， 采用这个较好的设计方法进行设计的加筋土挡墙能在体现保证加筋土安全的前提 下，有最小的造价和最大的效益。为找到这样一个方法，主要在以下方面开展研究 工作： l 、研究目前加筋土挡墙设计方法应用的一般情况并对主要设计方法加以介绍。 2 、通过对主要的设计方法的比较、总结，归纳出典型设计方法，作为进一步对 比分析的基本方法。 3 、采用典型设计方法，通过不同墙断面、不同筋材、不同填料等参数的组合下 进行的理论分析和实例设计计算，比较总结出推荐的挡墙设计方法，得出推荐采用 的加筋土挡墙设计方法。 1 3 研究的意义 系统的加筋土理论虽然诞生时间较短，但发展很快，伴随实践的发展，挡墙设 计方法作为加筋土理论中的重要组成部分，发展也很快，出现了多种加筋土挡墙设 计的多种方法，这些方法各有优缺点，对这些设计方法进行分析比较，评价其适用 性，探讨解决不足之处并选择最佳的设计方法，推动加筋土挡墙设计水平的提高具 有重要的理论和实践意义。 从加筋土挡墙与其它支挡结构的关系来看，应用加筋土修建的加筋土结构丰要 包括加筋支挡结构、加筋土坡和加筋地基。加筋支挡结构包括加筋土墙、加筋桥台 等。它们计算原理很接近，而加筋土墙是支挡结构中应用最多的。研究加筋土墙的 设计方法不仅对改善加筋墙的设计，而且对其它支挡结构的设计改进和加筋土技术 的提高也都有一定实际意义。 本论题拟从技术经济两方面对目前主要的设计方法进行对比分析研究以优选出 既安全可靠又节省材料的较佳的加筋士挡墙设计方法。同时通过提出的推荐的加筋 挡墙设计方法，建议对我国目前规范的相关内容加以改进，这一方法在实际工程中 的应用可望产生明显的经济和社会效益。 1 4 本章小结 加筋土挡墙是一种有着长期应用历史的重要支挡结构，较刚性挡土墙有着很多 优点。本文所作对于加筋土挡墙设计方法的探讨，希望会有助于加筋土挡墙修建技 术不断完善，从而建造出更加合理和经济的加筋土挡培，也使加筋土挡墙的优点得 到更大的发挥。在经济与技术的合理性角度上，总结现行设计方法，对加筋士挡墙 不同设计方法的比较，以期得到更为合理的设计方法，将对加筋士挡墙建筑技术的 进步有着积极意义。 6 第2 章加筋土挡墙的类型与蛄构 第2 章加筋土挡墙的类型与结构 随着加筋士挡墙应用的增多、新材料的应用和设计施工水平的提高，使得加筋土 挡墙的类型变得越来越丰富，结构的各种组成也越来越多样化。对加筋土挡墙进行合 理分类、对结构组成进行分析有助于深入研究加筋土挡墙的设计问题。 2 1加筋土挡墙的类型 挡土墙可从几个方面进行分类： l 、按照有无墙面板可分为：( 1 ) 有面板墙；( 2 ) 无面板墙两类。 2 、按照挡土墙的几何形状可分为：( 1 ) 一般单级式挡士墙；( 2 ) 台阶式挡土墙( 3 ) 背靠背式挡土墙：此种挡土墙按筋材是否连通，可分为筋材单独铺设和对拉连通铺设 两种。 3 、按筋材的铺设方式可分为：( 1 ) 满铺式加筋土挡墙：在平面上筋材连续铺设， 没有间隔；( 2 ) 条带式加筋土挡墙：采用条带筋材，在平面上，每隔一定距离铺设一 条筋带，筋带水平上间隔铺设的墙型。 4 、按筋材在墙面端处的锚固方式可分为( 1 ) 包裹式：铺筋材时在墙面端留出一 定长度、或外加一段与筋材联结到一起能起反滤作用的合成材料( 细孔土工网或土工 织物) ，每铺一层筋材就填上一层土，压实后，将在墙面端预留或另加的合成材料向上 卷回压在填土上，然后再铺下一层筋材，在填土，逐层依次进行；( 2 ) 与墙板锚固式： 加筋材采用机械联结、或化学粘接等方式与墙面板固接到一起。 5 、按高度分类：参考有关规范i n 】，可将加筋土墙按高度划分为一般高度加筋土 挡墙( 1 2 m ) 和高大加筋土挡墙( 1 2 m ) 。 2 2 加筋土挡墙的结构 加筋土挡墙的结构组成主要有拉筋、填料、墙面系统( 刚性墙面板或柔性墙面保 护层、基础) 。如图2 一l 所示。 北京1 业人学帧f 一学位论史 筋带 填料 图2 一l 加筋七挡墙的结构组成示意图 f i g u f e2 一ls h t c hm a po f 咖咖r e0 f 他i n f o r c e ds o i ir e t a i n j n gw a l 2 2 1 墙面系统 墙面系统是加筋土挡墙的重要组成部分，包括墙面和墙面基础。加筋土挡墙系统 的形式多种多样，但大致可分为刚性墙面系统和柔住墙面系统两大类。 2 2 1 1墙面系统的作用l 、保护加筋材，防止受到紫外线的照射和其它自然的 物理、化学和机械的损害；2 、避免外界人为因素对筋材的损伤，防护墙体结构；3 、 为了装饰和美观：4 、作为挡墙起稳定作用的一部分。一般临时性工程，可不单独设置 墙面结构，大多数加筋土墙都要有墙面系统。 2 2 1 2 刚性墙面系统l 、整体现浇混凝土或钢筋混凝土墙面系统。2 预制掘凝 土墙面系统；根据预制墙面结构单元的规模又可分为；( 1 ) 预制混凝土板( 全高) 墙面 系统，如图2 2 所示；( 2 ) 预制混凝土( 分单元) 墙面系统；( 3 ) 标准混凝土块( 混凝土 模块) 墙面系统，图2 3 所示为部分不同形状的预制块的情况。3 焊接丝网墙面系统。 4 、堆叠筐笼墙面系统，如石笼墙面。 2 2 1 3 柔性墙面系统1 、绿色植物墙面；2 、喷水泥砂浆护面层。图2 4 为竣 工后的柔性墙面土工格栅加筋土挡墙墙面情况。 2 2 1 4 墙面基础一般在刚性墙面板下设置钢筋混凝土条形基础或其它形式基 础，用以支撑墙面板和减小墙面荷载对地基的作用应力，起保持墙面稳定的作用。 金 图2 2 预制混凝土板( 全高) 墙面系统在旋r 中旧 f 1 静碍2 1 2h 醴南f j 嘲c dc o n c f e t ep 卸科d f t h ew a l lj sh 订d i n g 图2 3 墙面所用的各种形状的预制块f f i g u r e2 - 3 i o t l sf o m l so f p r e f a b r i c a t e dlu l 】叩su di nt 1 1 e 、v a l lp a r i e l 9 妒荡 q 图2 4 竣工后的柔性墙面加筋土挡墙外观情况1 8 f i g u r e2 4s i 叫i o n o f p 锄e l o f a r e i n f o r c e ds o i lr e 僦n i n g w a u w i t h f l e x b l e f k i n g a f t e r c o m p k t i o n 2 2 2 加筋材料 传统的加筋材料一般是天然纤维，如草、树木枝条、麻、竹材、动物毛发等。当 前较为实用的用作加筋的材料有：( 1 ) 土工织物：有编织型或非编织型土工织物。( 2 ) 土工合成筋材制品：土工格栅( g e o 鲥d 、土工带、土工网( g n 哟、土工垫( g e o m a t ) 、 土工格室( g e o c e l l ) 。( 3 ) 复合土工制品：以聚脂、玻璃纤维、钢筋( 丝) 、混凝土等原 材料复合制成的土工加筋材，如以高强细钢丝为主的受拉元件，外包裹既能使钢丝协 调共同工作，又保护钢丝免遭锈蚀的抗老化塑辩层的钢塑复合加簸带；钢荔混凝土 加筋带等。( 4 ) 土工合成纤维：将纤维制成不同形状可用以制作纤维土( t c x s 0 1 ) 和网 片土( m e s he l 锄e n ts o i l ) 。( 5 ) 金属加筋材：如镀锌钢带、钢筋等。 众多各种类型的加筋材料具有不同的应力、应变性能，与填土的协调作用机制各 不相同，理解这一点对选好筋材很有帮助。选择筋材要以经济、适用、安全为原则。 士工格栅是在以高分子聚合物( 如聚乙烯p e 、高密度聚乙烯h d p e 、聚丙烯h d p p 等) 为主要原料并加入抗紫外线助剂经机械加工而成。按照原材料和成型工艺的不同，土 工格栅可以分为以下几种：( t ) 整体成型格栅：主要采用聚乙烯或高密度聚乙烯傲原 1 0 第2 章加厮土挡埔的类型与结构 材料，经过塑料挤出机挤出薄片材，再在其上冲出空眼并经整体拉伸而成；( 2 ) 焊接 成型格栅：主要以聚丙烯为原材料，经过塑料挤出机挤出条带状材料，然后纵横交叉 排列并在相交处焊接而成：( 3 ) 钢塑格栅：以钢丝外面包裹塑料形成复合材料条带， 然后相互交叉排列并在交叉处焊接而成：( 4 ) 纤维经编格栅：以玻璃纤维或涤纶等化 学纤维为原材料，通过经编并留出网孔而成的网格状材料。 最近几年，土工格栅在加筋土中用量大增，土工格栅的品种也越来越多，它们普 遍具有很好的实用性。如图2 5 是在小同受力方向有不同受力特性的两类土上格栅， a ) 单向拉伸士_ 格栅 a ) g e o 盯i ds t a n d i l l go n e w a ys t r e t c h i n g b ) 双向拉伸十r 格栅 b ) g e q g r j ds t a i l d i n gt w o w a ys t r e t c h n g 幽2 5 ri ：格栅示意图 f i g m2 5s k e l c hm a po f g e o 鲥d 即单向拉伸和双向拉伸土工格栅两种，工格栅在各种岩土、交通、环境等方面获得 广泛应用。土工格栅主要应用于加筋士挡墙、陡坡、填埋场扩建中。土工格栅通过在 潜在破坏区内产生足够的拉力来抵抗破坏。士工格栅应超出破坏面足够长度以保证有 足够的锚固抗力扶而防止拔出破坏 l 。实践证明，土工格栅是一种适用性较广的优良 加筋材料，设计中可做为优先选择的加筋材。 2 2 3 加筋土挡墙的填料 填料是加筋土挡墙的主要部分，由于土工格栅的抗拔能力与粒料的内摩擦角增大 北京t 业人学碗j ? 学位论文 而增大，所以填料一般应优先选择摩擦系数较高的粒状透水土料。随着加筋土技术的 发展，填料的选择范围也越来越大，填科不仅可以用透水性好的砾科、砂砾料、碎石 土、也可以用透水性低的粘土等。 由于传统摩擦性好、透水性好的砂砾材料的缺乏，可能不得不在加筋土结构中采 用粘土做填料，但是，粘性土毕竟不同于砂砾材料，试验表明，施工中，粘土填料的 超孔隙水压力会产生很大的水平压力，这会妨碍土的有效应力的发挥，因而会降低土 与筋材的结合力”1 。因此，在选用粘性土填料时应更加慎重。设计中一定要提出对这 些填料的技术要求，如提出土的颗粒大小和级配、化学成分、风化料的含量、含水量、 使用部位和施工夯实指标，以及做好排水等的要求。 实际中也可用粉煤灰做填料，粉煤灰是电厂的捧放物。通过一定的设计和旋工方 法可成为加筋土挡墙的填料。具有造价低、施工简单、稳定性好、节约用地，可广泛 用于公路、铁路、水利、建筑等领域的工程项目建设中，具有较大的经济、环境和社 会效益 1 6 】。 2 3 本章小结 随着加筋土挡墙建筑技术的发展，加筋土挡墙的类型同趋和结构组成逐渐多样化。 拉筋、填料、墙面系统，作为加筋土挡墙的主要组成部分，选用的材料品种在增加、 设计和施工方法也都有很多需要继续完善的工作要做，从而满足经济和社会更高的需 求，这也一定会使加筋土挡墙的类型和结构丰富多彩。 第3 章加筋土挡墙起挡土作用的基本原理 加筋士挡墙起挡土作用的原理在于用以挡土的加筋土体这种复合结构在墙后填 土、墙上各种可能的长期或临时超载作用下能够保持内部和外部稳定性。从内部稳 定性来看，对无墙面或柔性墙面系统以及虽然是刚性墙面系统但墙面与加筋士体的 联系较弱的情况，应主要研究上与筋材相互作用的机理和筋材在整个加筋七体q t 的 作用，这可以用一股土加筋的原理来解释；而对于有刚性墙面系统且墙面与加筋上 体联系紧密，对筋j ，的作阁关系影响较大时，应将墙面、筋材、填二e 统一研究。从 外部稳定性来看，加筋土体一般被看作刚体，实际上，加筋土挡墙是一种变形模量 较刚体挡墙低很多的结构体，在墙后填土即其它外力作用下的内部应力应变情况和 基地压力分布等情况都与刚性墙不同，但鉴于此问题的复杂性现在一般仍按刚性 重力式挡土结构的研究方法进行研究和评定其在外力作用下的抗滑、抗倾等外部稳 定性问题。而且这样处理的方法基本能够满足加筋土挡墙设计的需要。可以认为加 筋土挡墙在保持外部稳定的原理上与一般刚性重力式挡墙的原理相同，即依靠本身 的自重保持稳定。因此，以下主要针对上与筋材形成的复合体结构和面板、筋材、 士形成的整体复合结构这两种结构，从保持加筋土挡墙内部稳定性的角度，讨论加 筋土墙的挡土作用原理。 3 1土与筋材形成的复合体结构 当无墙面系统或虽然有墙面系统但仅起装饰或保护作用，与加筋土体的结合较 弱，仅仅起固定墙面板的作用，在挡土上基本上不起作用，此时土与筋材两者相互 作用保持加筋体稳定。土中加入筋材形成的土筋复合体就具有足够的保持自身形状 和强度的性质，从而可承受一定的外力作用。起到挡土作用。筋土相互作用并在外 力作用下保持自身稳定性的基本原理可总结有咀下几种： 3 1 1 准粘聚力原理 亦称视粘聚力理论或复合材料理论。这 亦称视粘聚力理论或复合材料理论。这 1 3 理论基于考虑加筋土整体受力性质的 理论基于考虑加筋土整体受力性质的 北京t 业人学蝴i 学位论史 三轴试验。 设水平地面下为未加筋的砂土，在某一深度h 处，一处于静止状态的单元体， 其大小差应力分别为盯。= 加；c r 3 = 加，式中y 为土的容重，静止土压力系数 k 。= 1 一s i n 妒，为土的有效内摩擦角。如果由于某种原因侧向压力变为零( 如基坑 深挖) ，土体就会产生侧向膨胀。若大主应力o1 仍保持不变，随小主应力o3 的减小， 即逐渐降低侧压力o 。至o 。= k 。o 。土体逐渐达到主动极限平衡状态。如图3 一l 中圆 l 的状态，其抗剪强度曲线为过原点的直线i ：f = 叮t 醐妒。此时，乃= 足。d 。= k 。加， k = t a n ( 4 5 。一矿，2 ) ，妒为砂土的内摩擦角。为了防止土的侧胀太大而破坏，如在填 土中铺设加筋材料，土体试样改变为加筋砂土试样。由于筋材同填料之间的摩擦作 用，约束了土体的侧向变形，相当于增加了侧向压力。此时，加筋砂土试样虽然仍 处于大主应力o l 和小主应力o3 作用下，但作用于土体的侧压力以己不是k 。o l ，而 是处于ko 。和l ( 0oi 之间，所以土体不会发生剪切破坏，加筋土仍处于弹性稳定状 态】。由此可见，在土体内加筋的作用主要是限制土体的侧向变形，相当于对土体 提供个侧压力增量o 。 在加筋砂土的三轴试验中对加筋士试样旖加侧限应力盯，而加筋也会产生侧限 应力仉，试样受到的总的侧限应力仃，+ 6 盯，。在试验的强度曲线上，6 仃，会表 现为类似粘聚力c 。的作用，两者关系如式3 1 所示。 勺= 等州4 s 。+ 多 ( 3 一1 ) 此时，加筋砂土要想达到极限平衡状态，最大主应力必须增加到q ，应力圆己 成为圆2 ，其抗剪强度线购为过点( o ，c 。) 的与未加筋砂土平行的直线l i ： f = 盯t a n 妒+ 巳。 加筋土的力学性能的改善可看作是由于筋材的加入使加筋土复合体形成了具有 类似土的粘聚力的力学效应可将这种效应称为准粘聚力c 。无粘性土添加筋材。 使形成的加筋土具有了准粘聚力，加筋土的剪切强度线将会因加筋而上移c ，如图 3 1 ，从而提高了加簌土的抗剪强度；已经具有粘聚力的粘性添加筋材会使形成 的加筋土产生的比原来粘聚力更大的准粘聚力。这种认为是准粘聚力的力学效应而 图，一l加筋十与未加筋土应力圆的比较 f i g u r e3 1c o m p 赫s i o no f s t r c s sm 帅do f c e l lc u b eo f r e i n f o r c e de a r t h a n du n 忙i n f o r c e de a r t h 使加筋土体获得强度增加的理论称为准牯聚力理论， 3 1 2 摩擦理论 主动区土体产生的向外的剪应力使筋材的拉力增加，被动区产生的阻止筋材滑 动的剪应力指向内侧筋材的末端f l 刀。这种土与筋材的作用考摩擦来实现。摩擦有两 种作用，与荔材之间的摩擦力应保汪荔材能够承撂拉力并有效工作，主动区的箭 材与稳定区筋材有不同的受力特点。主动区筋材具有保证主动区填士稳定的作用， 即筋材与填土的摩擦作用，使筋材之间的土体保持稳定。被动区筋材除了具有保持 棱动区体稳定侔甩斡，还有对主动区筋材鸽控力佟忍( 邵筋初钓抗拔力) ，这都需 要筋材与土的相互摩擦作用来实现。主动区筋材与被动区筋材受力图见3 2 。图中 f 为士对筋才才的摩擦力。 摹于考露如筋t 内部的土筋相互作用。当筋材有足够强度而不被拉断情况