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复合加筋格宾结构工程应用研究黄向京1，王维1，陈润夏2(1. 湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008；2.马克菲尔中国有限公司，湖南 长沙 410000)摘要：以一典型的8m高加筋陡坡设计为例，介绍了复合加筋土结构形式和单元组成。利用考虑筋材加筋效果的极限平衡条分法和有限元数值模拟技术分别分析了两种系统的稳定安全系数和变形特征，得出了复合加筋土结构与传统的加筋土结构相比，性能等效，造价更经济的结论。介绍了复合加筋格宾结构在国外的应用情况，并对一高大加筋土结构进行了长期性能的跟踪报道。最后，介绍了该结构在我国温福铁路某滑坡治理工程中的首次应用。相关成果相关工程技术人员参考。关键词：复合加筋土结构；极限平衡条分法；有限元；稳定安全系数；变形中图分类号：TU432 文献标识码：A 文章编号：1 引 言加筋土结构由于具有造价低廉，施工方便、生态效果好等固有特性，在我国的铁路、公路、水利、矿业以及房建等填方工程中已经取得了广泛的应用，但我国的加筋土技术整体水平和国外尚有较大差距，主要表现在两个方面：其一，我国目前加筋土相关设计和施工规范制定工作比较滞后，不能达到“与时俱进”的修订速度，这与我国政府对加筋土结构的科研投入力度不够有直接的关系；其二，我国目前工程应用中的加筋土结构和产品主要引自国外，自主研发的新型加筋土结构形式和加筋材料几乎没有，这与我国对知识产权的保护力度不够有直接关系。而国外则属于“百花齐放”的状况，加筋土技术发展日新月异，已成为岩土工程研究的一大热点。就加筋土结构设计而言，目前我国还是采用筋材密间距布置方式（0.30.5m），究其原因可归纳为如下两点：其一，我国目前生产的土工格栅与国外加筋土结构中所采用之土工格栅相比，主要还是低强度（120年长期设计抗拉强度不超过100 kN/m），而国外加筋土结构，尤其是高大加筋土结构，其主筋材120年长期设计抗拉强度已超过300kN/m；其二，我国对加筋土结构筋材间距布置方式对加筋土结构性能的影响研究几乎处于空白状态。本文介绍了国外当前比较流行的复合加筋土结构形式和组成。利用考虑筋材的极限平衡条分法和有限元数值方法，对一典型8m高加筋陡坡的传统设计方案和复合加筋格宾方案的安全稳定系数和变形进行了对比分析。并对该种复合加筋土结构形式在国外的应用情况进行全面报道。最后，介绍了该结构形式在我国的首个应用案例，以供相关工程技术人员参考。2 复合加筋格宾结构形式、单元组成2.1 结构形式复合加筋格宾系列结构的结构形式按照不同的单元组成可分为三种基本结构形式，即复合绿色加筋格宾结构形式、复合加筋格宾结构形式以及两种结构形式的组合形式，分别如图2.1所示。 （a）复合绿色加筋格宾结构形式 （b）复合加筋格宾结构形式图2.1 复合加筋格宾系列结构形式示意图2.2 单元组成2.2.1 绿色加筋格宾绿色加筋格宾是加筋土工程技术最新的发展，面墙与拉筋均以钢丝网面为主，为同一网面的无节点连接，工厂化程度高。与全包裹式加筋挡墙类似，在加筋网面上分层填筑、分层压实，网面与压实填土共同作用的受拉体系一起组成绿色加筋格宾结构。其面墙加强构件均为装配式，施工简单快捷；面墙加钢筋网板增加刚度，并采用支撑架固定，一般以65、70形成坡面（如图2.2所示）；通常加筋网面幅宽2米，竖向间距0.58m或0.73m，网面长度根据设计确定；作为一种生态型加筋技术，施工时，在面墙钢丝内侧铺垫有椰棕植生垫，只需人工植入枝条或藤曼草种，稍加养护，坡面绿化即可自然形成。2.2.2 加筋格宾加筋格宾单元的基本元素为镀锌或镀高尔凡并覆塑的低碳钢丝经机器编织而成的双绞合六边形金属网面。其面墙为格宾网箱，拉筋为钢丝网面，拉筋与面墙网面为同一网面的无节点连接。在工地现场直接充填块石料构成面墙，在加筋网面上分层填土、压实。格宾网箱、网面与压实填土共同作用的受拉体系一起组成加筋格宾结构。加筋格宾单元的一般规格为幅宽2m，高0.5或1m（见图2.3），加筋网面长度根据设计确定。单元间通过绞合钢丝连接，其挡墙墙面型式可以是直立式、阶梯式，并可设置分级平台。2.2.3 Paralink高强土工格栅 Paralink高强土工格栅是以高强聚酯纤维为原材料，经聚拢到聚乙烯外套中，纵横交错而成的一种特殊的土工格栅，具有质控抗拉强度高、蠕变折减系数小、幅宽大的特点，专业用于高大加筋土结构工程。典型的Paralink高强土工格栅样品如图2.4所示。 图2.2 绿色加筋格宾单元 图2.3 加筋格宾单元图2.4 Paralink土工格栅样品3 8m高加筋陡坡的稳定和变形分析3.1 加筋陡坡的设计考虑一8m高的加筋陡坡工程，分别采用两种设计方案，即传统的低强度土工格栅反包解决方案和复合绿色加筋格宾结构解决方案，设计断面如图3.1所示。图3.1 两种加筋陡坡设计方案断面图3.2 基于极限平衡条分法的稳定分析对于加筋陡坡的稳定分析，有一些国家采用考虑筋材刚度的位移法，但绝大多数国家采用的是考虑筋材加筋效果的极限平衡条分法。本文采用加拿大GeoStudio公司的Slope/w软件计算该加筋边坡稳定安全系数,两种方案的计算结果如图3.2所示。传统方案的稳定安全系数为1.438；复合加筋格宾解决方案的稳定安全系数为1.551。（a）传统解决方案 （b）复合加筋解决方案图3.2 加筋陡坡解决方案安全稳定分析3.3 基于有限元数值方法的变形分析3.3.1 有限元软件介绍计算采用的软件为加拿大Rocscience Inc公司的专业有限元软件Phase2 6.0版本。该程序主业用于岩土工程问题分析，其材料模式可选用Mohr-Coulomb，Duncan-Zhang，Hoek-Brown，Generalized Hoek-Brown及Drucker-Prager等。同时该软件具有专业的加筋土筋材Line土工合成材料单元，可计算筋材上的拉力，能非常方便地模拟筋材对加筋边坡稳定的影响。3.3.2 有限元模型按照平面应变问题建立模型，土体单元采用摩尔-库仑材料本构模型。筋材采用Line单元模拟。同时根据相关文献6、7、8，格栅类筋材，其抗拔力包括筋材和土的摩擦和嵌固。试验研究和工程经验均表明，格栅类筋材修建的加筋土结构鲜有抗拔不足导致的破坏。本研究中，不考虑筋材和土之间的相对位移，即认为筋材和土完全位移协调。边界条件：上部为自由边界，左右两侧水平约束，底部固定，所建立的有限元模型如图3.3所示。（a） 传统加筋陡坡解决方案 （b）复合加筋解决方案图3.3 有限元模型的网格划分3.3.3 计算采用的物理力学参数绿色加筋格宾筋材全部采用Line单元模拟，选择土工合成材料单元类型，力学参数如下7、9：拉伸模量为360kN/m，抗拉强度为36kN/m。关于筋材的力学参数参照英国国家独立试验室出具的关于双绞合六边形金属网的BBA报告，考虑施工损伤、制造误差以及生物腐蚀对筋材长期抗拉性能的影响。传统加筋陡坡解决方案和复合加筋陡坡解决方案所用土工格栅的有限元计算参数如表3.1所示。各区域土体计算参数的取值见表3.2。表3.1 两种土工格栅的有限元计算参数材料名称拉伸模量（kN/m）弹塑形模型应用区域峰值拉伸强度（kN/m）残余拉伸强度（kN/m）HDPE土工格栅8008080传统加筋方案PET高强土工格栅2000200200复合加筋方案双绞合六边形金属网9005050表3.2 土体的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of soil材料名称单位重度(kN/ m3)弹性模量(MPa)泊松比粘聚力(kPa)内摩擦角()地基土201000.31033路基填料19500.180353.3.4 两种方案的水平位移分析经过计算，两种方案的水平位移分析如图3.4所示。图3.4 两种解决方案的水平位移图 图3.5 位移图3.4 小结综合上述稳定分析和有限元变形分析，可得到如下结论：1） 两种结构稳定性中，复合加筋格宾结构较好；2） 两种结构的变形特征类似，变形量基本一致。4 国外应用情况和实际工程跟踪报告4.1 国外应用情况复合加筋格宾系列结构开发始于上世纪90年代末，自从英国1997年修建此类结构开始，该结构已经在水利、公路、矿业、铁路等行业取得广泛的应用。限于篇幅，笔者从其众多工程案例中精选10个列于表4.1。表4-1 复合加筋格宾系列结构应用案例序号工程名称结构形式墙高（m）所属行业工程所在地建设时间现状1Nygg水电站挡墙复合加筋格宾15水利英国1997年5月正常2Retail Park复合加筋（绿色）格宾29市政葡萄牙2001年8月正常3Lereto公路复合加筋（绿色）格宾19公路意大利2000年9月正常4葡西高速公路复合加筋格宾23.5公路葡萄牙2001年4月正常5阿尔巴尼亚国家公路一期复合加筋格宾28.5公路阿尔巴尼亚2008年10月正常6阿尔巴尼亚国家公路二期复合加筋格宾42公路阿尔巴尼亚2008年至今-7俄罗斯A1国家公路连接线复合加筋格宾12公路俄罗斯2003年正常8Marikana Ausarius 白金矿复合加筋格宾18矿业南非2002年正常9DE La OBRA矿山支挡结构复合加筋格宾22.5矿业秘鲁2004正常10PT Kaltim Prima 矿山复合加筋格宾18.5矿业印度尼西亚2005正常4.2 实际工程跟踪报告4.2.1 工程概况为拓宽葡萄牙Leiria公园的面积，需要修建一个最大高度达到29.2m的加筋土挡墙，由于工程所在地的地形所限，加筋土挡墙需要修建得尽可能陡。经和包裹式普通土工格栅挡墙方案技术、经济对比，业主最终选用了复合加筋格宾+复合加筋（绿色）格宾的组合形式结构方案。挡墙施工完毕后，对上部的复合加筋（绿色）格宾采用水力喷薄的方式，实现了结构的快速绿化（如图4.1所示），使得结构和周围的公园环境融为一体。图4.1 挡墙施工完毕后实景 图4.2 挡墙典型断面图4.2.2 工程设计根据挡墙的高度和地形条件，经计算分析，需要采用如表4-2所示的材料力学参数。挡墙的典型断面设计如图4.2所示。采用了两种类型的Paralink土工格栅，顶部挡墙采用质控抗拉强度为300,间距达到3.8m；下部挡墙采用质控抗拉强度为600，间距为2m。表4.2 各区回填土料力学指标加筋土填料19350地基土193320墙后回填料1933204.2.3 现状调查2009年，印度机场兴建工程中，需修建一高达60米的高大加筋土挡墙结构，因机场场坪需求不能架桥，因此业主在世界范围内征求设计方案，最终经技术、经济多方比较，初步确定采用复合加筋格宾结构解决方案，但业主对此结构的长期性能存在担忧。为此，方案提供者-意大利马克菲尔集团委托葡萄牙的Bureau Veritas检测机构对运行已达到9年的葡萄牙Leiria公园复合加筋格宾挡墙进行检测。检测单位对挡墙的整体效果（如图4.3所示）、下部挡墙水平变形（如图4.4所示）、中部挡墙的水平变形（如图4.5所示）以及上部2m高挡墙的水平变形和沉降（如图4.6所示）进行检测，检测结论如下：l 挡墙整体效果很好，植被恢复良好，整个结构无明显的沉降和水平变形；l 下部挡墙无明显的水平变形，双绞合金属网面无明显的变形；l 中部复合绿色加筋格宾挡墙无明显的水平变形，植被恢复效果很好；l 上步加筋格宾挡墙无明显的水平变形，墙顶路面无开裂和下沉现象。图4.3 挡墙的整体效果 图4.4 下部挡墙的局部效果图4.5 中部挡墙的局部效果 图4.6 上部挡墙的局部效果5 国内工程案例5.1工程概况温福铁路DK246+300+360段右20m右侧山体边坡，表层为粉质黏土，褐黄色、褐红色，硬塑，厚0.81.5m，为类；其下为为二长花岗岩，灰白，棕黄色，全风化夹50%，夹不均匀风化岩块(弱风化)，岩块粒径1.2m3.5m，施工己刷至1:1.25坡率，在2008年7月18日海鸥台风期间，受降雨影响，造成全风层富水软化，出现大面积坍塌,塌方体推倒拦石墙后漫流至线路左侧边坡外的公路上及公路外的农田内。己形成泥石流，严重影响铁路安全，经过专家评审最终采用复合加筋格宾挡墙与框架梁护坡相结合的支护形式。5.2 设计概况本加筋土挡土墙位于DK246+210DK246+410，平均挡墙高度10.0m，最大高度15.0m，墙后分别以1：1.5，1：1.25，1：1.75，1：2四级放坡，每级坡高10m，其中一二级放坡采用网格梁支护，其他采用植草防护，墙后回填土采用铁路二级填筑，高强土工格栅加筋长度分别为10m，10m，6m，其具体结构布置形式见图5.1所示。为达到整齐、美观、和谐的效果在格宾挡墙做插枝绿化处理，墙底种上爬山虎，挡墙平台覆绿处理，由于加筋格宾挡墙为一个生态自然的加筋结构很好适应了现代环境美观的要求。图5.1 K246+275典型断面设计图5.3 应用效果温福铁路施工现场见图6所示。从图中可见，复合加筋格宾挡墙结构整体美观，成为铁路工程中一道亮丽的风景线，且施工简单，在工程领域有很好的发展应用前景。图5.2 加筋格宾施工现场6 结论本文对一典型加筋陡坡不同设计方案的稳定、变形分析，通过对复合加筋结构的调查和实际工程的尝试，得到如下结论：（1）复合加筋格宾系列结构通过利用高强土工格栅，在降低土工格栅用量的同时，还保证系统的安全和变形性能优于传统密间距加筋陡坡设计方案，是一种值得推广的加筋土结构新体系。（2）通过调查发现，复合加筋格宾系列结构在国外普遍用于高挡墙结构，因此，此种结构可作为我国今后修建高大支挡结构的方案之一。同时，对我国加筋土工程领域而言，复合加筋格宾系列结构属于一项新技术，还有许多值得深入研究之处。笔者认为，需做如下几方面深入的研究：（1）开展复合加筋土结构的稳定机制研究。（2）通过工程监测、室内模型试验以及数值模拟技术对此种结构的长期变形、应力分布情况进行研究。参考文献(References)：1 中华人民共和国行业标准. 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