加筋土工布对减少土压力的研究和实践(1)

摘要：采用加筋土工布减少墙后土压力，从而均化挡墙桩基竖向荷载的分布，减小桩基最大竖向荷载，使其满足实测桩顶承载力的要求。以加筋土工布减少土压力的理论出发，分别进行了加筋土工织物的室内和室外试验，以及墙后埋设土压力盒，通过理论和实践相对照，认为采用加筋土工布对减少墙后下部土压力具有良好的效果，达到了研究分析所预期的目的，为今后类似工程提供了一定的理论基础和应用价值。

关键词：加筋土工布 减少土压力 承载力 特性试验

1 问题的提出

太浦河泵站的出水池挡土墙高度最大为10.45m，结构型式采用空箱扶壁式（见图１），出水池挡土墙底板座落在黄灰色轻砂壤土层上，该土层物理力学性质指标见表１。

表1  挡墙底板基底土层物理力学性质指标

根据已有的地基参数，对挡墙进行了稳定计算分析，在控制工况下，抗滑安全系数ｋc＝0.865<1.30，基底最大压应力σ＝212.1>120kpa，挡墙结构的抗滑稳定和基土承载力均不满足规范要求，设计采用钢筋砼预制方桩进行地基处理，桩长9m，桩基最大桩顶荷载q_d=610.08kn。根据地质报告提供的预制桩极限摩阻力标准值计算，桩基的单桩承载力设计值r_d＝778kn，满足上部结构荷载的要求。考虑到本工程为重大工程，工程等级为大ⅰ型，需对桩基进行单桩静载试验验证桩的极限承载力，试验方法采用慢速荷载维持法，试桩荷载由锚桩反力提供。单桩竖向静载试验q-s曲线见图2。

从试桩q-s曲线结果表明，单桩极限承载力r_k为747kn，对应的设计值r_d为466.9kn，没有达到原设计要求。加上挡墙底板较长，底板上填土部分有可能产生二次滑动面，对挡墙的结构安全造成威胁，因此需进行加固处理。加固处理比较了多种方案，见表２。

表2   加固方案比较表

经过以上综合比较，认为在墙后铺设加筋土工布是较合理可行的方案（见图2）。

       图1  挡土墙及墙后复合加筋土结构断面图                      图2  挡土墙单桩竖向静载试验q-s曲线图

2 减少墙后土压力的理论分析

2.1 分析方法的选取

根据工程界迄今为止的研究结果，加筋土中筋—土相互作用减少土压力的基本原理通常可分为两类概念，第一种是准粘聚力原理，第二种是摩擦加筋原理。

准粘聚力原理是将加筋土看作各项异性的复合材料，拉筋的弹性模量远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。

摩擦加筋原理是将土体作用在墙背上的土压力通过筋土间的摩擦力由锚固区内的筋土锚固力来抵消。该原理忽略了筋带在力作用下的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点，对加筋材料本身模量较小、相对变形较大的合成材料，其结果是近似的。

以上两个概念中，由于如何确定复合土的内聚力c和内摩擦角φ，从试验方法上是比较困难的，而测定筋土之间的摩擦系数则是比较容易的，加上摩擦加筋原理概念明确、简单，因此本工程采用第二种概念进行减少墙后土压力的计算分析。

2.2 加筋土的计算分析

假设侧向土压力自上而下呈直线增长，拉筋的最大拉力也沿深度呈线性增大。根据平衡条件，有

     式中：t1，t2，…，ti，…，tn——各层各结点拉筋所受拉力；1，2，…，i，…，n为结点竖向分层编号；e_a为全墙单宽所受的主动土压力合力。

各加筋土层厚度δh_i可由下式确定

    式中：[t]——复合加筋土工布室内试验得到的抗拉强度（kn）；f_τ——抗拉安全系数；γ——回填土的容重（kn/m3）；k_a——ranking主动土压力系数。

各层土工布加筋长度li的确定

a.    锚固长度的确定

    式中：f_m——锚固安全系数；τ_mi——第i层土工布与填土的界面摩擦阻力强度（kpa）。

b. 滑动区长度的确定

c. 加筋土工布的总长度

式中：l₀——复合加筋土工布翻叠长度，取l0=2.3m；l_p——消除挡土墙后二次破裂面的长度。

    根据复合加筋土工布的室内抗拉强度试验以及现场加筋土界面摩擦特性试验确定的参数进行计算，得出沿墙高各段复合加筋土工布的总长度见表3。

表3   各段复合加筋土工布的总长度

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