土工格柵與錨桿結(jié)合加筋的自嵌式擋墻研究

1、.土工格柵與錨桿結(jié)合加筋的自嵌式擋墻研究 1引言土工格柵加筋自嵌式擋墻被公認(rèn)為比較經(jīng)濟(jì)美觀的擋墻14，對(duì)于這種擋土墻系統(tǒng)擋墻大部分的穩(wěn)定性主要由自嵌塊面板后的格柵來(lái)提供，另外自嵌塊作為擋墻的面板也可以提供一部分穩(wěn)定。作為加筋的土工格柵必須有足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，格柵在回填土中有明確的加筋垂直間距而且在回填土中須有足夠的加筋長(zhǎng)度，然而格柵的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和垂直間距較容易實(shí)現(xiàn)，但在靠近擋土墻的位置處遇到大量的老土、軟巖和硬巖時(shí)，回填土中所需的加筋長(zhǎng)度很難實(shí)現(xiàn)，即無(wú)法完全完成土工格柵的鋪設(shè)。在這種情況下開(kāi)挖大量的土或巖石是不切實(shí)際的，因此需要一些特殊方法來(lái)抵抗格柵長(zhǎng)度減少所帶來(lái)的拉應(yīng)力。本文研究在回填區(qū)受限制的

2、情況下，采用土工格柵和錨桿結(jié)合加筋的設(shè)計(jì)理論，就是在加筋回填區(qū)的后部將錨桿打入固結(jié)土或巖體中，錨桿來(lái)抵抗因格柵長(zhǎng)度不足所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，傳統(tǒng)的格柵加筋自嵌式擋墻和錨桿與格柵結(jié)合的自嵌式擋墻斷面如圖1。傳統(tǒng)的加筋自嵌式擋墻有足夠的回填區(qū)域來(lái)滿足局部、內(nèi)部和外部穩(wěn)定性，但在回填加筋區(qū)受限制的條件下，擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性不能得到保證。通過(guò)將錨桿與格柵連接然后將錨桿打入土層或巖層中來(lái)抵抗格柵長(zhǎng)度不足所帶來(lái)的拉應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)所要求的穩(wěn)定性。a)傳統(tǒng)加筋自嵌擋墻 b)格柵和錨桿結(jié)合加筋的自嵌擋墻圖1 傳統(tǒng)加筋自嵌擋墻和格柵與錨桿結(jié)合加筋的自嵌擋墻Fig1. Conventional geogrid reinfo

3、rced segmental block wall and one with a combination of geogrid and anchor reinforcements圖1b表明了一般情況下回填區(qū)受限制的加筋土自嵌擋墻斷面圖，加筋回填區(qū)中的格柵能轉(zhuǎn)移擋墻面板上的土壓力，將面板上的土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楦駯疟旧淼睦瓚?yīng)力。加筋回填的面積受后面硬土區(qū)的限制，格柵的長(zhǎng)度在鋪到硬土區(qū)時(shí)如果不能抵抗擋墻面板的土應(yīng)力則采用錨桿與格柵連接的方式來(lái)共同承擔(dān)拉應(yīng)力，錨桿嵌固到硬土區(qū)來(lái)提供足夠的拉應(yīng)力。2、自嵌式擋墻面板后的土壓力加筋土區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力由自身加筋土的重力和外部附加垂直荷載組成。回填土區(qū)后面的硬土區(qū)由于

4、自身的穩(wěn)定性不會(huì)傳遞應(yīng)力給回填土（這與傳統(tǒng)加筋自嵌擋墻被擋土區(qū)不同），因此回填土區(qū)的垂直應(yīng)力不會(huì)受到影響。進(jìn)一步來(lái)講，硬土區(qū)的表面可視為剛性界面，由于土工格柵與墻體自嵌塊的連接使得擋墻的面板界面可視為柔性界面，所以該柔性界面的存在會(huì)阻止回填土區(qū)內(nèi)受限制區(qū)域發(fā)生拱起現(xiàn)象。因此，可認(rèn)為加筋土中同一高度處的垂直應(yīng)力大小是一樣的。加筋土自嵌擋墻底部的最大垂直應(yīng)力等于加筋土的自重加上一些附加的或其它外部垂直荷載。在計(jì)算擋墻所受的總水平平衡力時(shí)，回填區(qū)受限制的因素須被考慮到，因?yàn)榕c加筋土后的硬土區(qū)的距離較近，所以在受限制回填土內(nèi)主動(dòng)破裂面可能不會(huì)完全發(fā)展。該問(wèn)題的一般幾何形狀如圖2a，加筋土區(qū)的范圍用高度

5、H、頂部加筋土的寬度Lt來(lái)表示。圖2a中硬土區(qū)的邊界是垂直的，事實(shí)上，硬土區(qū)的邊界傾斜時(shí)分析方法也是一樣的?；靥顓^(qū)內(nèi)的力系如圖2b，在潛在破裂面內(nèi)回填土的自重W構(gòu)成破壞力。為簡(jiǎn)化期間假定作用在墻面后部的平衡力是水平的且墻面是垂直的。因此平衡方程如下：若 （1a）若 (1b) 以上的變量如圖2b，K是作用在墻面后部的水平力系數(shù)。圖2c中表明了當(dāng)內(nèi)摩擦角時(shí)K值隨Lt/H的變化值。當(dāng)Lt/H的值大于0.5時(shí)，主動(dòng)破裂面在回填區(qū)內(nèi)會(huì)完全發(fā)展，因此，如方程1b；當(dāng)Lt/H的值小于0.5時(shí)，主動(dòng)破裂面在回填區(qū)內(nèi)不會(huì)完全發(fā)展，因此K值會(huì)隨著Lt/H值的減少不斷減少。圖2c中對(duì)于不同的Lt/H值K保持一個(gè)固定

6、的破裂角，K值不是最大值但可通過(guò)具體的Lt/H獲得。原因是因?yàn)榛靥钔羺^(qū)的受限制迫使臨界破裂面產(chǎn)生更大的角度，這將會(huì)比破裂角為時(shí)導(dǎo)致一個(gè)更大的K值。填土內(nèi)摩擦角時(shí)這個(gè)最大的水平力系數(shù)Kmax如圖2c。圖2d表明了填土的內(nèi)摩擦角時(shí)產(chǎn)生最大水平力系數(shù)Kmax的破裂角，在完全主動(dòng)破裂面處Lt/H比值大于0.5時(shí)回填土破裂角，當(dāng)Lt/H比值小于0.5時(shí)，破裂角也接近一致。但在擋墻頂部回填區(qū)與硬土區(qū)結(jié)合處，破裂角不一致。圖2e表明了回填土類型范圍時(shí)計(jì)算的最大水平力系數(shù)Kmax。圖2f表明了回填土類型范圍時(shí)用方程1a中來(lái)計(jì)算最大水平力系數(shù)Kmax的破裂角。圖3表明了作用在墻面板后總水平力Ph以及水平力隨著擋

7、墻深度的分布。當(dāng)時(shí) （2a）當(dāng)時(shí) (2b) 圖2 回填土的自重作用在擋墻后的水平力系數(shù)Fig2. Horizontal force coefficient acting on rear of wall facing due to weight of reinforced fill圖3回填土自重和附加荷載作用在擋墻面板后的水平應(yīng)力分布Fig3. Horizontal stress distribution acting on rear of wall facing due to self weight and surcharge and the gross horizontal force總水平

8、力Ph： （2c）從圖2f中獲得的適當(dāng)臨界角3、加筋格柵和錨桿的拉力加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定性是通過(guò)加筋和錨桿產(chǎn)生的拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖4表明截面j的應(yīng)力示意，垂直應(yīng)力是由回填土的重量、附加荷載和其它的外部荷載產(chǎn)生的。在墻面板的后部該垂直應(yīng)力能分配相應(yīng)的水平應(yīng)力，墻面板通過(guò)加筋的拉力來(lái)抵抗面板所受的水平應(yīng)力，從而避免面板的移動(dòng)，如果硬土區(qū)邊界內(nèi)格柵不能完全抵抗該力的話，則剩余的拉力被轉(zhuǎn)移到錨桿中。在加筋土墻內(nèi)每一層格柵最大拉力均發(fā)生在回填土中主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)的分界點(diǎn)處，該分界面通過(guò)圖5邊界角來(lái)劃分。加筋土中產(chǎn)生的最大拉力在線j處表示為5：擋墻面板后截面線j處水平應(yīng)力，截面線j處加筋垂直間距圖5假定了在截面

9、j處拉應(yīng)力沿著格柵長(zhǎng)度的應(yīng)力分布，拉筋最大值位于中間部位附近，向墻面方向和拉筋末端方向逐漸減少6。為了保守設(shè)計(jì)假定墻面板后的拉力等于產(chǎn)生的最大拉力，即 圖4 自重和附加荷載產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力 圖5 沿著格柵層拉應(yīng)力的分布Fig4. Internal stresses due to self Fig5. Distribution of tensionweight and surcharge along a layer of reinforcement如果最大拉力線距離硬土區(qū)邊界有一定的距離，如圖5，則加筋的拉力可以在回填土的被動(dòng)區(qū)被消散掉。被動(dòng)區(qū)拉力減少比率如圖6，通過(guò)過(guò)多應(yīng)力來(lái)控制，加筋與填土的摩

10、擦力為在加筋被動(dòng)區(qū)的后部，擋墻截面j處的表示為： （4）截面j 處主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)結(jié)合點(diǎn)的最大拉力回填土的單位自重 截面j以上擋墻的高度 擋墻頂部的附加荷載 加筋與土之間的摩擦系數(shù)加筋土的內(nèi)摩擦角 擋墻截面j處被動(dòng)區(qū)的加筋長(zhǎng)度圖6 加筋回填土的被動(dòng)區(qū)假定的線性剖面拉力分布圖Fig6. Assumed linear profile of reinforcement tension dissipation in the passive zone of the reinforced fill如果加筋拉力在到達(dá)硬土區(qū)邊界時(shí)不能完全被消散掉，則需硬土區(qū)的錨桿來(lái)消散剩余的拉應(yīng)力。在每一個(gè)錨桿中工作荷載的大小

11、表示為：截面j處錨桿的工作荷載 截面j處被動(dòng)區(qū)后部拉筋的拉力在截面j處錨桿之間的水平間距 截面j處錨桿的傾角4、錨桿與格柵結(jié)合的某自嵌擋墻工程實(shí)例某工程需要建高度2m到5m不等的加筋擋墻，要建擋墻的地方有一部分由風(fēng)化巖組成，為了保證周圍建筑物的安全，決定不開(kāi)挖來(lái)建造土工格柵加筋自嵌式擋墻，由于回填區(qū)受限制決定采用錨桿和格柵結(jié)合使用來(lái)建造自嵌擋墻。 a)受限制的加筋土擋墻設(shè)計(jì)參數(shù) b)加筋擋墻斷面圖c)格柵、錨桿連接大樣圖圖7 加筋自嵌式擋墻圖Fig7. Profile of reinforced segmental block retaining wall圖7a表明了加筋擋墻與后面石英巖的位置

12、關(guān)系及設(shè)計(jì)參數(shù)，石英巖表面傾角大約60°，擋墻頂面的水平寬度Lt為3.1m。，給出了一個(gè)臨界角（圖2f），最大的加筋拉力線如圖7a所示?；靥钔羶?nèi)的被動(dòng)區(qū)受限制而且大約與硬土區(qū)的邊界一致。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以假定最大拉力線即為硬土區(qū)的邊界。自嵌擋墻的面板由自嵌塊體組成，作用在擋墻面板后的水平應(yīng)力分配由方程2來(lái)計(jì)算，格柵的垂直間距是基于格柵的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和格柵與自嵌擋墻面板的連接強(qiáng)度而定。為了節(jié)省錨桿的數(shù)量，每?jī)蓪痈駯旁O(shè)置一排錨桿，如圖7b和7c，錨桿的受力，將錨桿的受力代入到以下錨桿截面積和錨固長(zhǎng)度公式中 根據(jù)計(jì)算所需錨桿的長(zhǎng)度L=5.0m和直徑25mm2.5m。錨桿與圓管的連接采用焊接或彎鉤連接，錨桿布置方式為梅花狀，錨桿施工嚴(yán)格按照施工規(guī)范執(zhí)行。 錨桿和加筋格柵的連接是通過(guò)一根75mm直徑的鍍鋅鋼管來(lái)完成的，如圖7c。所選用的土工格柵需要長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和自由靈活的彎曲來(lái)使得格柵本身能較容易的圍繞鍍鋅鋼管而不需要施加額外的附加拉力。該擋墻工程施工完畢后，經(jīng)過(guò)近一年時(shí)間的考驗(yàn)，擋墻的工作性能表現(xiàn)良好，未發(fā)生任何的破壞形式，說(shuō)明通過(guò)用錨桿和土工格柵結(jié)