基于极限平衡理论的加筋土挡墙设计方法

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  摘要:基于极限平衡分析理论,系统介绍了一种土工格栅加筋土挡墙的设计方法,包括加筋土挡墙的土压力计算、土工合成材料的强度计算、加筋土的受力分析等内容,从设计思路上明确了其与传统重力式挡墙设计方法的区别与联系。最后,提出了此方法的某些局限性,并探讨了进一步研究的方向。
  关键词:加筋土挡墙,土工合成材料,极限平衡理论
  
  中图分类号:S611文献标识码: A
  1引言
  加筋土挡墙是由填土、填土中的筋材以及面板(有时包括基础)组成的整体复合结构。与传统重力式挡墙依靠自身重量抵抗墙后侧向土压力不同,加筋土挡墙是通过筋材与填土的摩擦作用限制土的侧向位移,等效于给土体施加了一个侧压力增量,使土的强度和承载力均有提高[1]。
  加筋土所用筋材主要分为金属材料、钢筋混凝土材料和土工合成材料三类。本文主要探讨的对象为土工合成材料加筋土挡墙。土工合成材料加筋土挡墙的设计方法归纳起来可分为极限平衡法、极限状态法和有限元法三种[2]。前二者侧重分析加筋土挡墙极限破坏时的稳定安全系数,后者则侧重分析加筋土挡墙的工作开始至破坏时拉筋的应力分布和其与土体之间的受力与变形状态。目前,在国内实际工程中应用最为广泛的是极限平衡法。本文即介绍一种基于极限平衡分析理论的设计方法。
  2双楔体理论
  双楔体理论用以进行加筋土挡墙的稳定性计算,其基本要点是把加筋土体作为挡土墙结构,把加筋土体后面的填筑土体作为滑动棱体来看待。
  
  
  
  图1双楔体理论分析示意图
  如图1,将加筋土体abdc(视为整体挡土墙)设定为楔体B,将墙后的可能滑塌体设定为产生推动力的楔体A,从而建立“双楔体”分析体系。图中,G、V分别为楔体B、楔体A所受重力,E为总土压力,R为滑动面上的反力。“双楔体”模型建立后,即可按照挡土墙的各种要素求出墙后填土对加筋土体的侧向土压力,并进行抗水平滑动稳定和抗倾覆稳定校核。根据此模型进行土压力计算,可以给出加筋体抗力从而进行内部稳定分析,还能进行加筋体的外部稳定分析。
  3加筋土挡墙的土压力
  3.1 土压力计算公式
  加筋土挡墙的主动土压力计算方法与普通重力式挡土墙的表示形式相同[3]:
  (1)
  式中:
  —加筋土挡墙主动土压力(kN);
  —墙后填土重度(kN/m3);
  —计算墙高(m),取值方法见图1。当填土面为水平时,为墙的实际高度;当填土面为斜坡时,为墙的实际高度+墙背延伸高度;
  —主动土压力系数,常将加筋体按竖直墙背来确定,即
  。
  土工合成材料可分为柔性筋材和刚性筋材,由于受力特性存在差异,故二者土压力计算有所不同。
  
  图2加筋土挡墙破裂面
  如图2(a)所示,对于柔性筋材加筋土挡墙,按式(1)计算的土压力是三角形分布,破裂面为一条斜直线,这与普通重力式挡土墙一致。而对于刚性筋材加筋土挡墙,其破裂面常分段考虑,由竖直线和斜线两部分组成,见图2(b)。竖直线部分与面板背面的距离,斜线部分与水平面的夹角。简化破裂面上、下两部分高度和按下式计算:
  (2)
   (3)
  式中:
  —简化破裂面上口宽度(m);
  —土的内摩擦角(°)。
  抗震验算时,(为地震角),此时按下式计算:
   (4-1)
  或
  (4-2)
  3.2 主动土压力系数
  由于柔性筋材加筋土挡墙和刚性筋材加筋土挡墙的破裂面不同,其主动土压力系数也存在区别。
  
  图3加筋土挡墙土压力系数
  如图3所示,对于柔性筋材加筋土挡墙,在墙的全高范围内,任何深度处的土压力系数均可按计算;对于刚性筋材加筋土挡墙,在墙的顶部等于静止土压力系数,从墙顶向下6m,由静止土压力系数逐渐过渡到主动土压力系数,6m处及其以下的墙高为主动土压力系数,即刚性筋材加筋土挡墙的土压力系数可表示为:
  计算点在墙顶:
   (5-1)
  计算点在0~6m范围:
   (5-2)
  计算点大于6m:
   (5-3)
  式中:
  —任意埋深处,第i层拉筋的土压力系数;
  —静止土压力系数;
  —主动土压力系数;
  —任意埋深(m);
  —填料的内摩擦角(°)。
  3.3 土压力作用方向
  侧向土压力的作用方向与墙顶形式、筋材类别有关。侧向土压力作用方向与水平线夹角可按下式规定[4]:
  (1)墙后填土表面水平
  对可拉伸筋材:
  
  对不可拉伸筋材:
   (6-1)
  (2)墙后填土表面倾斜
  对可拉伸筋材:
  
  对不可拉伸筋材:
  (6-2)
  式中:
  —墙后填土的排水抗剪内摩擦角;
  —墙后填土的倾斜坡角;
  —加筋土挡墙面板后的底宽(m);
  —加筋土挡墙的计算高度(m)。
  4土工合成材料的强度
  加筋土工程设计首先应确定筋材的设计抗拉强度。土工合成材料的抗拉力应按下式计算:
  (7)
  式中:
  —土工合成材料的设计抗拉强度(kN/m);
  —土工合成材料的极限抗拉强度(kN/m);
  —考虑了蠕变后的土工合成材料长期抗拉强度(kN/m);
  —土工合成材料强度的综合修正系数;
  —施工及机械损伤的影响系数;
  —材料蠕变的影响系数;
  —化学损伤的影响系数;
  —生物損伤的影响系数。
  若土工合成材料采用土工织物,还应计算其刺破强度及顶破强度,并满足其最低强度要求值。
  5加筋土的受力
  土工合成材料筋材水平铺设在土中后,在荷载作用下复合体发生变形,通过土和筋材的界面咬合引起应力传递,力的传递方式有两个:一是表面摩擦,二是横向肋条被动抗力。
  5.1 筋材表面的摩阻力
  筋材与土层相对移动所产生的摩阻力为:
   (8)
  式中:
  —筋材的摩阻力计算值(kN);
  —筋材上的有效垂直应力(kN/m2);
  —筋材有效宽度(m);
  —筋材有效(锚固)长度(m);
  —筋材与土的摩擦系数,;
  —筋材与土接触面之间的摩擦角。
  5.2 筋材横杆的被动抗力
  当筋材为土工格栅、土工网等具有横向肋条或横杆的材料时,其与土体发生相对位移时会产生与位移方向相反的被动抗力,计算式为:
   (9)
  式中:
  —筋材的被动抗力计算值(kN);
  —单位宽度格栅的横肋数目;
  —格栅的横肋厚度(m);
  —格栅孔洞有效宽度(m);
  —单位土体的被动抗力(kN/m2),;
  —筋材上的有效垂直应力(kN/m2);
  —承载力因数,与土的内摩擦角有关。
  5.3 土工合成材料的抗拔力
  抗拔力是指筋材从土中被拔出时所承受的最大拉力。根据加筋土的应力传递原理,土工合成材料的抗拔力应等于表面摩阻力和被动抗力之和,即。目前我国各专业规范在确定抗拔力计算时,主张筋材的抗拔力由试验决定;在不具备试验条件情况下,设计者在考虑对筋材抗拔力要求时,可以采用公式进行估算,但所用估算公式均都略去了横杆被动抗力,即[4]。《土工合成材料应用技术规范》GB 50290-98按下式估算筋材抗拔力。
  当有试验资料并已计算出筋材锚固长度时,则应分别按下式计算抗拔力:
  当有拉拔试验结果时:
   (10-1)
  当筋材与土的摩擦阻力由土的抗剪强度估算时:
  (10-2)
  式中:
  —筋材的锚固长度计算值(m);
  —设计抗拔力(kN);
  —抗拔安全系数,,不小于1.3,重要永久工程可取2;一般永久工程可取1.5。
  6土工合成材料加筋土挡墙设计步骤
  6.1 未加筋挡墙的稳定计算
  首先对未加筋前的挡墙工程进行稳定性校核,当校核结果为不稳定,即安全系数K不合要求时,则确定须进行加筋处理。
  6.2 确定加筋土挡墙的总加筋力
  确定加筋土挡墙的总加筋力,实际上就是计算加筋土挡墙的土压力,即,其中为单位宽度加筋体需要的总加筋力。如前所述,土压力的计算方法按照筋材的类别确定,具体计算公式参照式(1)得到后,即可进行布筋设计。
  6.3 布筋设计
  布筋设计的内容包括筋材类别选用、筋材竖向间距布置、筋材铺设总长度、无效长度及锚固长度计算、筋材抗拉强度计算、锚固抗拔力计算、层间总摩阻力计算等,相关计算方法如下:
  1)筋材抗拉强度计算采用式(7)。
  2)筋材锚固抗拔力计算应根据是否具有试验资料分别采用式(10-1)或(10-2),应注意在计算中应乘以筋材的总层数n。计算结果应满足:。
  3)锚固长度计算。
  当缺少拉拔试验结果而进行估算时,可应用下式计算:
   (11-1)
  当具备拉拔试验结果时,可应用下式计算:
  (11-2)
  当筋材与土的摩擦阻力由土的抗剪强度估算时:
  (11-3)
  4)筋材铺设总长度,式中为滑裂面以内的无效长度(m),为锚固长度,为筋材包裹长度或筋材与墙面连接所需长度(m)。
  5)筋材竖向间距通常采用:单向土工格栅0.6~1.5m;双向土工格栅0.2~0.6m;土工带0.3~1m;土工织物0.3~0.6m,土工网0.5~0.7m。筋材间距与总拉力大小有关,如高度为H的坡堤,已知总拉力为T,筋材的抗拔力计算值(筋材容许拉力)为,则需要设置筋材的层数n为:;筋材的竖向间距为:。
  6)层间总摩阻力计算。
  层间总摩阻力与锚固抗拔力完全不同,锚固抗拔力是指从锚固段拔出筋材的力,是锚固段的摩阻力,它用来抵抗拔出力(水平外力),作用在于确保滑动棱体有下滑趋势时的结构整体平衡;而层间总摩阻力是指非锚固段的摩阻力,它也用来抵抗水平外力,保证结构正常使用中土体与筋材的整体性。因此,二者在一定的安全系数下均不得小于水平外力[4]。二者采用相同的计算公式和安全系数,仅计算长度不同,锚固抗拔力计算采用锚固段长度,层间总摩阻力计算采用无效长度或称非锚固段长度计算。
  6.4 内部稳定计算
  内部稳定计算包括抗拔稳定计算、筋材层间摩阻稳定计算、墙体稳定计算、整体稳定计算等。
  1)抗拔及层间摩阻稳定计算
  抗拔稳定安全系数:
  
  层间摩阻稳定安全系数:
  
  其中为层间总摩阻力。
  2)刚性筋材挡墙的筋材强度计算
   (12-1)
   (12-2)
   (12-3)
  式中:
  —某层筋材的水平拉力(kN);
  —筋材的抗拔力计算值(容许拉力)(kN);
  —超载引起的竖向附加压力(kN/m2);
  —水平附加荷载(kN/m2);
  —主动土压力系数,按式(5-1)~(5-3)确定。
  3)墙体稳定计算
  加筋土挡墙墙体稳定计算与未加筋挡土墙墙体稳定计算完全相同,均采用滑动圆弧条分法,只是加筋土挡墙的圆弧滑动分析中多了一项总加筋力,其对墙体结构起稳定作用,这就是加筋的优势。
  4)整体稳定性计算
  对于高度较大的工程,必须进行整体稳定性计算。整体稳定性计算也是采用圆弧滑动条分法,不过圆弧滑裂面位于加筋体及部分地基中。
  地震发生时,加筋土挡墙将受到地震力的影响,必须进行地震情况的稳定性复核。地震时整体稳定性计算仍然按滑动圆弧法考虑,具体可根据下式计算[5]:
  (13)
  式中:
  —加筋土挡墙地震深层整体稳定性安全系数,取1.1;
  —地震土压力;
  —的力臂。
  6.5 外部稳定计算
  加筋土挡墙的外部稳定性计算采用重力式挡土墙稳定分析法,即把加筋土挡墙作为普通重力式挡土墙(视为刚性体),然后按照普通重力式擋土墙进行基底平面滑动稳定性计算、绕墙趾倾覆稳定性计算及地基承载力计算。
  7结语
  在土体中添加筋材,其抗拉和抗剪强度会得到显著提高。与传统重力式挡土墙设计相比,本文叙述的基于极限平衡理论的加筋土挡墙设计方法主要考虑了加筋对土体受力情况、挡墙稳定性等内容的改善作用。这种设计思路类似于传统重力式挡墙,且计算过程较为简单,易于在实际工程中推广应用。
  但是,这种设计方法忽略了拉筋的变形、挡墙不同部位的相互作用以及实际工作状态下地基和挡土墙之间的变形[2,6],而因加筋土挡墙的过大水平变形导致墙体失稳的事故国内外均有发生[7]。因此,如何针对这些因素进一步完善加筋土挡墙设计方法,还需要做进一步的研究工作。
  参考文献
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