自嵌式生态柔性挡墙设计与施工工艺

2017-07-18 11:56:16陈建军周一龙王玮柱

湖南交通科技 2017年2期

关键词：土工布砌块格栅

陈建军，周一龙，王玮柱

(湖南省娄衡高速公路建设开发有限公司，湖南衡阳 421001)

自嵌式生态柔性挡墙设计与施工工艺

陈建军，周一龙，王玮柱

(湖南省娄衡高速公路建设开发有限公司，湖南衡阳 421001)

自嵌式生态柔性挡墙具有施工工艺简单，景观效果好，整体稳定性好，造价低，适应性强等优点，在工程中有广泛的应用前景。介绍了自嵌式生态柔性挡墙的基本特点，结构设计方法，以及施工工艺，为自嵌式生态挡墙的应用提供参考。

柔性挡墙; 自嵌式; 生态; 设计; 施工

0 前言

加筋土结构大约在1970年最早出现于法国，之后美国、加拿大及其他国家开始使用加筋土结构。加筋砌块结构在1986年开始使用，发展至现代的自嵌式生态柔性挡墙。传统重力式挡墙依靠墙体自重抵抗侧向土压力，结构单一，施工难度大，景观效果差。而自嵌式生态柔性挡墙通过将挡墙与铺设的土工格栅形成的加筋土形成一个整体，共同抵抗土压力来保持土体稳定并且具有景观效果。挡墙示意图如图1所示。

图1 挡墙示意图

陈伟[1]介绍了挡墙的结构设计方法；李娜等[2]开展了自嵌式挡墙的应用研究；周中元[3]在岸坡工程中应用了自嵌式挡墙；李尚革[4]对自嵌式挡墙的经济效益做了具体分析。本文在前人的工作基础之上，系统介绍了自嵌式生态柔性挡墙的基本特点，结构设计方法，以及施工工艺，为自嵌式生态挡墙的应用提供参考。

1 工作机理

加筋土中的土工格栅通过筋土作用，包括摩擦加筋原理和准黏聚力原理，可有效改善土的强度指标，土体与土工格栅形成复合材料。同时挡墙砌块与土工格栅通过锚固棒连接，将形成挡墙、土工格栅、土体的整体结构。即使土体有一定程度的侧向变形，由于挡土块有橡胶棒作用，各砌块之间可以适应一定的错动位移。相对于传统的重力式挡墙，自嵌式生态柔性挡墙是典型的柔性结构，砌块与土工格栅材料共同抵抗土体的侧向变形作用，能有效控制侧向变形，保证挡墙的整体性。且景观效果优于重力式挡墙。

2 挡墙的特点

自嵌式生态柔性挡墙相对于传统重力式挡墙有：施工工艺简单，景观效果好，整体稳定性好，造价低等优点。

2.1 施工工艺简单

自嵌式柔性生态挡墙采用锚固棒连接砌块，相比重力式挡墙，无需砂浆砌筑与锚栓，每个砌块直接铺设，摆放时上下错缝，且施工后无需养护，从而提高施工进度，缩短工期。

2.2 景观效果好

自嵌式生态柔性挡墙的墙面采用粗糙的花岗岩形态，色调可以根据工程整体的自然环境进行调配。且可以种植攀爬植物，适应环境生态要求，加强挡墙景观效果。

2.3 整体性好

自嵌式生态柔性挡墙采用土工格栅将挡墙与土体连成一个整体，且加筋后的土体强度指标有所增强。且挡墙质量较轻，对基础要求较低，且砌块通过锚固棒连接，能够适应土体变形。

2.4 经济指标好

自嵌式生态柔性挡墙与传统挡墙的造价相比，大约能降低造价30%～40%左右。除此之外，自嵌式生态柔性挡墙还有耐久、环保等优点。

3 结构设计

3.1 外部稳定性分析计算

3.1.1 地基承载力验算

地基承载力安全系数为:

FSbc=2.0(Qult/Qa)

(1)

其中，FSbc为地基承载力安全系数；Qult为地基土的极限承载力；Qa为地基土所承受的垂直压强。

3.1.2 抗滑稳定性验算

加筋土底部的抗滑力为:

(2)

其中，Rs1=CdsWRtani；Rs2=Cds(CfL+WRtanf)，则抗滑安全系数为:

FSslt=1.5Rs/Paext

(3)

式中：Rs为加筋土底部的抗滑力；Cds为滑移系数；Cf为地基土黏聚力；WR为地基以上垂向压力；i、f分别为回填土、地基土内摩擦角；L为加筋土包括挡土墙的长度；Paext为外部主动土压力。

3.1.3 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数为:

FSot=2.0(MR/M0)

(4)

式中：FSot为抗倾覆安全系数；MR为抗倾覆力矩；M0为倾覆力矩。

3.2 内部稳定性分析计算

3.2.1 最小加筋层数及布置位置

Nmin=Pa/Ta

(5)

其中，Nmin为加筋土工格栅层数，实际土工格栅层数为大于Nmin的整数；Pa为内部主动土压力；Ta为格栅容许拉应力。

3.2.2 加筋土工格栅承载力验算

第n层加筋网片的承载力安全系数:

FSot(n)=1.0(Ta/Fg(n))

(6)

其中，FSot(n)为第n层土工格栅的承载力安全系数；Fg(n)为第n层土工格栅所受的拉力。

3.3.3 加筋土工格栅抗拉出破坏能力验算

第n层土工格栅的承载力安全系数为:

FSpo(n)=1.5(ACn/Fg(n))

(7)

其中，ACn=2La(n)Ci(γidn+Qd)tanφi，要求La(n)>Lallow。

式中：FSpo(n)为第n层土工格栅抗拉出破坏能力安全系数；ACn为第n层加筋网片的拉结能力；La(n)为第n层土工格栅在破坏面以外的长度；Lallow为土工格栅的最小允许抗拉长度；dn为该长度以上加筋土平均覆盖层厚度；Qd为填土面上的荷载；γi和φi分别为回填土的重度和内摩擦角；Ci为土工格栅拉出时与土的相互作用系数。

3.2.4 内部滑移验算

沿着第n层加筋网片的抗滑稳定安全系数：

(8)

Vu(n)=au+Ww(n)tanλu。

3.3 局部稳定性分析验算

3.3.1 土工格栅与挡墙砌块之间的连接强度验算

第n层土工格栅与挡墙砌块间连接安全系数:

FScs(n)=1.5(Tconn(n)/Fg(n))

(9)

其中，Tconn(n)=acs+Ww(n)tanα。

式中：FScs(n)为第n层土工格栅与挡墙砌块之间的连接安全系数；Tconn(n)为第n层土工格栅与挡墙砌块之间的连接强度；acs为土工格栅与挡墙砌块之间的最小连接力；α为土工格栅与挡墙砌块之间的摩擦角。

3.3.2 挡墙砌块之间的抗剪强度验算

第n层土工格栅处挡墙砌块之间的抗剪安全系数为:

(10)

3.3.3 顶部无加筋挡墙砌块的抗倾覆验算

抗倾覆安全系数为:

FSot=Mrt/Mot>2.0

(11)

式中：FSot为顶部无加筋部分抗倾覆安全系数；Mrt为顶部无加筋部分抗倾覆力矩；Mot为顶部无加筋部分倾覆力矩。

4 施工流程

自嵌式生态柔性挡墙与传统重力式挡墙结构不同，施工更加便捷，其施工质量主要体现在施工控制当中。采用科学合理的施工流程和管理方法是自嵌式生态柔性挡墙的质量保证。自嵌式生态柔性挡墙的施工流程如图2所示。

图2 施工流程图

5 施工机具及劳动组织

自嵌式生态柔性挡墙的主要材料及设备如表1和表2所示。

表1 生态柔性挡墙施工主要材料

表2 自嵌式生态柔性挡墙施工的主要设备

6 施工步骤

6.1 基础开挖、整理

挡墙基槽通过测量放样，确定开挖位置，采用机械或人工开挖方式，确认开挖深度，开挖过程中应实时控制开挖标高，清除表面的松土。对需要填方的基础，回填按照要求进行夯实。开挖过程中需要对基底高程实时控制。开挖好的基槽经过验收后，及时进行混凝土基础的施工，或碎石垫层，碎石的粒径控制在10～30 mm，基础或垫层的厚度，宽度及表面的平整度要满足设计要求。现场基槽测量及开挖如图3。

6.2 基层(垫层)施工

浇筑基础混凝土的过程中，需要实时控制顶面高程和表面平整度。混凝土振捣后要及时用靠尺对混凝土的平整度进行检查，平整度满足要求后对混凝土表面进行拉毛处理。拉毛方向与底板轴线的方向一致。现场具体施工图如图4。

6.3 碎石层铺设

自嵌式生态柔性挡墙的一个重要特点是墙体透水，不需要单独设置排水管进行排水。为防止排水时，带走墙后土体，在回填土与预制块之间设置30 cm宽的反滤层及土工布。反滤料为级配碎石，随着墙体升高逐层摊铺。碎石粒径大小为5～40 mm，另外在自嵌块的大孔隙中也需用碎石填充。碎石层铺设如图5所示。

a) 测量放样

b) 基坑开挖

图3 基础测量及开挖

a) 混凝土摊铺

b) 浇筑混凝土

6.4 铺设土工布，回填压实

土工布采用反滤土工布，铺设在填土和反滤料之间，土工布根据每层土工格栅分层设置，土工布在垂直轴线方向至少要压进填土中30 cm，土工布搭接长度不少于30 cm。自嵌式生态柔性挡墙的填土与墙体施工同步。回填的厚度是墙体砌块厚度的整数倍，不宜超过30 cm。距挡墙1 m之外使用压路机进行填土碾压，1 m之内使用打夯机等小型压实机具夯实。压实度应满足公路路基设计规范要求。现场铺设土工布及土体回填如图6。

6.5 返回土工布

在填土压实完成之后，将土工布反包，注意土工布压进土体至少30 cm。土工布有3种作用:透水性、保土性和防淤堵性。现场土工布反包如图7。

a) 砌块孔内填石

b) 滤料铺设

a) 土工布铺设

b) 墙后回填土

图7 土工布反包

6.6 铺设土工格栅，插入锚固棒

土工格栅应采用专业工厂生产的产品，色泽均匀，无开裂损伤，厚度一致，网格均匀，断面一致。产品应具质检单位的检测报告。合格后方可使用。

在铺设土工格栅时，将砌块表面碎石渣清理干净，保证砌块表面平整；同时确保尼龙棒穿过土工格栅，以保证土工格栅能与墙体连接承受拉力。同时格栅在铺设时，应确保平铺拉紧,必要时可在每层格栅末端用U型叉或小木桩来固定格栅，以免格栅在回填压实过程中发生起皱等；运土车严禁直接在格栅上行走，需采用倒退法施工；格栅需伸入自嵌块的前端，与格栅接触的上层自嵌块的最前端齐平，以保证格栅与自嵌块有足够的嵌固长度，同时格栅的最前端不宜超出上层自嵌块的最前端从而暴露在空气中。现场施工图如图8a所示。

在放置第1层砌块后，将尼龙棒插入砌块的后排孔中，确保尼龙棒穿过土工格栅。在进行第2层砌块的放置时，将砌块的前排孔套入到第1层尼龙棒上即可。要注意第2层砌块与第1层砌块错开放置，使砌块的上下层，左右得到锚固。尼龙棒长度略小于两个砌块的厚度，不至于影响下一层砌块码放的平整度。锚固棒安插施工图如图8b所示。