加筋土設計原理

加筋土工程設計原理

1 一般規(guī)定

1.1設計原則：

① 工程性質、使用要求、工程特點和發(fā)展需要

② 安全、適用、經(jīng)濟、美觀的要求

③ 因地制宜、合理取材、有利施工、便于維護

④ 多方案比選

保證結構的穩(wěn)定和安全，

保證各部分具有足夠的強度、耐久性，

保證加筋體的整體穩(wěn)定性。

1.2 設計內容：

①構造設計，

②結構計算，

③施工圖繪制和明確施工技術要求，

④工程概算或預算。

加筋土工程與其它相比，有一個顯著特點，由于加筋材料種類繁多、規(guī)格品種復雜、性能指標差異較大，填料的種類和物理力學指標不競相同，各工程項目間可參考性較差。

加筋土工程能形成獨立的使用功能，可作為單位工程編制相應的概算或預算，同時也便于工程施工組織和工程成本核算。

1.3 設計基本規(guī)定

內部穩(wěn)定計算是加筋土工程設計的一個特點，公路、水運、鐵路、水利等部門基本上相同。外部穩(wěn)定計算可按各行業(yè)或部門規(guī)定進行計算（有關計算方法和安全系數(shù)取值等）。

內部穩(wěn)定計算和外部穩(wěn)定計算均采用單一安全系數(shù)法。（不采用分項安全系數(shù)法）

2 荷載計算和組合

2.1 荷載類型

（1）加筋土擋墻

1） 加筋體重力，

2） 加筋體上填土重力，

3） 水的浮力和加筋體后方的剩余水壓力、水流力，

4） 加筋土體后方土的側壓力，

5） 車輛的等代荷載、固定設備、堆貨等使用荷載（包括垂直力和側壓力），

6) 船舶荷載（系纜力、擠靠力、撞擊力），

7) 地震荷載。

（2）加筋土橋臺

除了有上述部分荷載作用外，加筋土橋臺還有以下荷載作用。

1） 支座傳遞荷載（包括水平力和豎向壓力），

2） 墊梁自重力，

3） 加筋土體自重力或加筋體上填土重力，

4） 水的浮托力，

5） 墊梁背面和加筋體背面的土側壓力。

（3）加筋土地基

1） 加筋體重力，

2） 加筋體上填土重力，

3） 地面建（構）筑物重力，

4） 地（路）面車輛等使用荷載 ，

5） 水的浮力 。

2.2 荷載計算

（1）永久荷載作用

1）加筋土體的自重力

2）加筋土體上填土重力

《公路加筋土工程設計規(guī)范》在加筋土擋墻的內部穩(wěn)定分析時，對路堤式擋墻上的填土重力規(guī)定換算成等代均布土層厚度計算，見圖4. 1。等代土層厚度h1 為：

h1=(H/2－bb)/m (4.1)

式中， h1——加筋體上填土換算成等代均布土層厚度（m），

當h1< H 時，取h1 ＝H；

m——路堤邊坡率；

H——加筋體高度（m）；

bb——坡腳至墻面板水平距離（戧臺或馬道寬度）（m）；

H′——加筋體上路堤高度（m）。

3）加筋土整體式橋臺墊梁處傳遞的自重力

4） 加筋體后填土引起的土壓力

5) 水浮力和剩余水壓力

(2) 可變荷載

1) 車輛荷載

2) 堆貨荷載

3) 其它流動機械荷載

4) 船舶荷載

5) 波浪力和冰荷載

6) 施工荷載

(3) 偶然荷載

偶然荷載一般指地震荷載。

加筋土結構是柔性結構，具有很好的抗震性能。

地震基本烈度小于6度的地區(qū)，不計算地震力，

地震基本烈度為7度、8度、9度地區(qū)，只考慮水平地震力；

大于9度的地區(qū)，其地震力計算應進行專門研究。

2.3 荷載組合

公路加筋土結構的荷載組合有6；

護岸、碼頭、堤防類加筋體結構承載力極限狀態(tài)設計考慮以下三種作用效應組合：

持久組合：對于于持久狀況下的永久作用、主導可變作用和非主導可變作用的效應組合；持久組合采用設計高水位、設計低水位、極端高水位和極端低水位；

短暫組合：對應于短暫狀況下永久作用與可變作用的效應組合；短暫組合采用設計高水、設計低水位或短暫狀況下（如施工期）某一不利水位；

偶然組合：組合中包括了地震作用效應。

3 構造設計

3.1 斷面型式

斷面型式根據(jù)地形和地質條件、結構穩(wěn)定要求擬定。常用的有矩形，倒梯形，正梯形和鋸齒形。

加筋體墻高6米以下者，一般選用矩形斷面。

墻后邊坡較陡，地基基礎條件較好，宜選用倒梯形斷面。

加筋體地基條件較差，后方邊坡平緩，宜選用正梯形斷面。

墻體較高，或墻基礎本身較高，為滿足整體穩(wěn)定要求和地基承載力要求時，可選用鋸齒形斷面。

斷面型式應考慮地形、地質條件，滿足結構穩(wěn)定要求（外部穩(wěn)定和內部穩(wěn)定），方便施工，盡量節(jié)約材料和造價，經(jīng)穩(wěn)定計算和多方案技術經(jīng)濟比較后確定。

3.2 基礎

基礎分為面板下的條形基礎和加筋體下的基礎。

條形基礎的作用主要是便于安砌墻面板，起支托、定位的作用。其尺寸大小視地基、地形條件而定，寬度不宜小于30cm，厚度業(yè)不宜小于30cm�？刹捎肅15素混凝土或漿砌條石。

基礎的埋深在無浸水地區(qū)，一般可取60～100cm；浸水工程應根據(jù)水流的沖刷和淘刷作用大小而定，一般不少于150cm。

面板下的基礎及加筋體下的基礎都應滿足地基承載力要求。若承載力不滿足，應進行地基處理，處理方法與其它地基處理方法一樣，如換填、擠密、拋石、樁基和加筋地基處理等。

條形基礎沿縱向可根據(jù)地形、地質、墻高等條件設置沉降縫，其間距一般取10～30m，巖石地基可取大值。

加筋體基礎在縱向同條形基礎，在橫向可做成階梯形，但臺階最好2階為宜，第1級的寬度不小于墻高的40％，且不小于4m 。

3.3 加筋材料

復合加筋帶——鋼～塑復合加筋帶是以高強細鋼絲為主受拉元件，外包裹抗老化塑料層，塑料層既使鋼絲能協(xié)調共同工作，又保護鋼絲免遭銹蝕。鋼－塑復合加筋帶具有較好的工程性能，對于建筑高大加筋土擋墻，具有比較明顯的優(yōu)勢。

加筋材料應具有較高的強度，受力后變形小，表面粗糙、能與填料產(chǎn)生足夠的摩擦力，抗腐蝕性好，加工、接長方便，與面板的連接簡單、可靠。

加筋材料的鋪設一般為平鋪。

3.4 填料

填料的選擇要求易壓實、與拉筋材料有足夠的摩擦力、滿足化學和電化學標準。對浸水工程，要求水穩(wěn)定性好。

因此，礫類土、砂類土、碎石土、黃土、中低液限粘性土及工業(yè)廢渣（要滿足化學和電化學標準）均可應用。

對目前大量應用的聚丙烯土工帶、土工格柵、土工織物等土工合成材料，應盡量避免金屬離子（銅、錳、鐵等）進入加筋體，填料中不宜含有氯化鈣、碳酸納、硫化物等化學物質。

填料的壓實能否達到設計要求是加筋土工程成敗的關鍵。加筋土力學性能的改善和穩(wěn)定性的提高與填料的壓實緊密相關，因此，填料除了上述要求之外，還必須要有一個土工標準。

土工標準包括力學標準和施工標準，力學標準包括填料的組成成分、物理指標、力學指標，施工標準主要以壓實度來控制。

3.5 面板

面板的作用是裝飾整潔墻面、約束土體、傳遞下滑土體的推力，與加筋材料、填料共同形成加筋體。

面板的選擇原則是與環(huán)境協(xié)調、造形優(yōu)美、便于施工（預制脫模方便、便于安裝、與筋帶連接方便，規(guī)格品種少）、造價經(jīng)濟。

面板的型式常用的有槽形板、十字板、六角形板、L形板、矩形板等。

面板的厚度由拉筋拉力對面板的作用計算而確定，長和寬要與筋帶的鋪設、施工方法相一致。

面板上的筋帶結點，可采用預埋鋼拉環(huán)、鋼板錨頭或預留穿筋孔等形式。

墻頂、轉角處、沉降縫處、與其它構筑物相結處可采用部分異形板或角隅板。異型板或角隅板既要考慮到結構上的需要，也要考慮到整個墻面的美觀、整潔、順暢、自然。

3.6 排水和反濾設施

加筋土擋墻和加筋土邊坡都需做好排水設施。

位于河岸上的加筋土工程，在墻面板后做好反濾設施。

3.7 其它

加筋土擋墻的壓頂或帽石。

墻頂欄桿可根據(jù)需要情況設置，現(xiàn)澆混凝土帽石時預留欄桿柱插口。

加筋體基底和后方邊坡處理。

當擋墻高度較大時，在墻的中部宜設置錯臺。

當墻上有其它構筑物時，如涵洞等，構筑物的穩(wěn)定應單獨考慮。

墻（坡）頂種的綠化要求。

4 加筋土工程設計計算

4.1 加筋土工程設計計算內容

加筋土擋墻和加筋土邊坡設計計算內容一般包括：

（1）內部穩(wěn)定計算

A． 加筋材料抗拉強度計算

B．加筋材料抗拔穩(wěn)定計算；

（2）外部穩(wěn)定計算

A、筋體傾覆穩(wěn)定、滑移穩(wěn)定、整體穩(wěn)定驗算，

B．基底應力和地基承載能力驗算，

C．加筋體中變截面處的傾覆、滑移和整體穩(wěn)定驗算；

（3）構件強度和配筋計算

A．面板強度計算，

B．鋼筋混凝土加筋帶強度計算，

C．橋臺墊梁、地基基礎梁等構件強度計算等；

（4）其它計算

A．加筋土岸壁碼頭系船設施穩(wěn)定計算，

B．水流對基礎的沖刷與防護計算，

C．特殊處理地基需要的計算，

D．沉降變形計算等。

加筋地基計算內容一般包括：

穩(wěn)定計算、承載能力（或承載比）計算和沉降變形計算。

設計計算時應考慮各種可能的荷載組合，即各種可能的工況。

4.2 加筋土擋墻內部穩(wěn)定計算

（1）條帶式直立加筋土擋墻

對高度小于12m的一般直立式加筋土擋墻，按局部平衡法計算。設結點的水平向間距為Sx，豎向間距為Sy，則加筋體中第i層1個結點加筋帶的拉力為：

Ti = Ki Wi Sx Sy

Ki 可按規(guī)范計算（式（3.13））或經(jīng)驗法計算（式（3.12g））。

筋體中第i層1個結點所需加筋帶的根數(shù)為：

nik= TI / Td (4.7)

式中， nik ——由強度計算所得的第 層1個結點加筋帶的根數(shù)；

Td ——加筋帶的設計拉力，取單根加筋帶在延伸率為1.5%~2%的抗拉力，且不大于加筋帶的極限抗拉強度的1/4~1/5，(kN)。

第i層加筋帶的錨固長度按下式計算：

L2i=Kf Ti /(2ni b Wi f) (4.8)

式中， ni ——1個結點加筋帶根數(shù)的設計實際采用值， ni 3 ni k ，

且不小于2，一般取偶數(shù)；

b ——單根加筋帶的寬度(m)；

其余符號意義同前。

加筋帶的下料長度為：

Lxi = 2( L1i + L2i )+(0.3~0.5)m (4.9)

加筋帶與面板在結點處采用鋼筋拉環(huán)連接，拉環(huán)設計同吊環(huán)設計，拉力為Ti 。

（2）包裹式加筋土擋墻

加筋材料采用土工格柵或高強土工布，在縱向方向一般連續(xù)鋪設，加筋材料拉力和抗拔穩(wěn)定計算同前，包裹回折長度L0按下式計算：

L0= Kf Ti /(4 g zi tg j sg ) (4.8)

式中，L0——回折長度(m)；

Kf——抗拔安全系數(shù)；

Ti——土工格柵拉力(kN/m)， Ti = Ki Wi Si ；

Ki ——側壓力系數(shù)；

Wi——計算截面上的垂直壓應力(kN/m2)；

Si——第i層土工格柵的層間距(m)；

j sg——土工格柵與填土的摩擦角(° )，由試驗測得；

其余符號意義同前。

土工格柵的下料長度為：

Lxi = L0 + L1+ L2 + S (4.11)

由于加筋材料在縱向連續(xù)鋪設，為了達到經(jīng)濟的目的，可調整加筋材料的層間距Si

Si= Td / (Kfi Wi ) (4.12)

式中，Td ——加筋材料的設計抗拉強度，取極限抗拉強度的1/4~1/5。

（3）L形面板階梯型擋墻

如圖4.8 所示L形面板的階梯型墻，穩(wěn)定坡面（或破裂面）的傾角為。破裂面以外為滑動體，每層滑動體的平均寬度為aS+0.5r S，每層滑動體的重量為：

Wa = ( a + 0.5 r ) g S2 (4.13)

防止面板滑動所需要的加筋材料拉力為：

Td = Wa tg( b - j ) (4.14)

加筋材料與面由拉環(huán)錨固時，按式（4.7）和式（4.8）確定筋帶數(shù)量。加筋材料在L板處采用回折包裹時，加筋材料與面板的摩擦力Fb為：

Fb = 2a g S2 tg j b (4.15)

回折加筋材料的摩擦力F為：

F0 = 2 g S L0 tg j sg (4.16)

[ Kf ] Ti = Fb + F0 (4.17)

上述各式中，Wa——每層滑動體的重量(kN/m)；

S ——加筋材料層間距(m)；

a ——L面板底寬系數(shù)， a=B/S；

r ——梯形墻坡度比；

b ——破裂面傾角(° )；

j b——加筋材料與面板的摩擦角(° )；

（4）其它

對整體式橋臺或墻高大于12 m的擋墻，在公路荷載組合Ⅰ（基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種組合）時，應采用總體平衡法驗算，即按式（3.63）、式（3.64）和式（3.65）計算，也可直接采用經(jīng)驗法計算。

對外墻面陡于穩(wěn)定面的階梯型擋墻，也可用總體平衡法計算加筋體的內部穩(wěn)定。

4.3 加筋土擋墻外部穩(wěn)定驗算

首先確定加筋體結構斷面的“墻背”。根據(jù)加筋體的填料和“墻背”后的填料及施工要求，參照附錄確定“墻背”的外摩擦角，按規(guī)定確定各種工況，分別計算作用在“墻背”上的荷載（主要為土壓力）。

加筋體沿基底及各界面處的滑移穩(wěn)定按式（3.20）和（3.21）進行驗算。

加筋體的傾覆穩(wěn)定（沿加筋體前趾處）按式（3.22）和（3.23）進行驗算。

加筋體基底應力按式（3.24）和（3.25）進行驗算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，加筋體后踵處的基底應力s min3 0,當要滿足s min=0時，相應的加筋體寬度，即底層加筋長度為最小

Lmin = H ( Ka )1/2 （4.18）

地基容許承載力驗算

墻體前趾處不超過地基容許承載能力[R]值，其加筋長度為：

L≥｛Ka g 1 H/（〔R〕－ g 1 H ）｝1/2 （4.19）

式中，Ka——墻后填土的主動土壓力系數(shù)；

H ——計算墻背的填土高度（含等代土層高度）（m）；

g 1——墻后填土重度（kN/m3）； [R] ——地基容許承載力（kN/m2）。

由于加筋體屬柔性結構，按上述方法計算的墻前趾處的最大基底應力可進行適當折減。

加筋體與地基及后方部分填土的整體穩(wěn)定按式（3.29）或式（3.30a）、（3.30b）進行驗算。計算時一般不考慮圓弧穿過加筋層的情況。對于鋸齒型斷面，滑弧面穿過加筋體的下部加筋層時，應考慮用復合滑動面進行穩(wěn)定驗算，此時

Ks=(RAD＋RDE＋RT) / FAD （4.20）

式中，RAD、RDE ——分別為圓弧段AD、直線段DE的阻滑力

FAD——圓弧段AD的下滑力；

RT ——BD段拉筋產(chǎn)生的阻滑力；

Tfi——BD段第層加筋對應該滑面的抗拔力；

Td—— BD段第層加筋的容許拉力；

nk—— BD段加筋帶總層數(shù)。

4.4 加筋邊坡與加筋堤設計計算

（1）加筋邊坡

加筋邊坡與一般邊坡相比，坡度都比較陡，根據(jù)邊坡高度和填土情況及工作條件，坡比一般為1 : 0.5~ 1 : 1.5。

加筋邊坡的設計計算主要為整體穩(wěn)定計算，即按式（3.66）或式(3.67)計算。計算前，先參考類似工程初步選擇加筋材料，擬定一個布筋方案，進行試算。然后再根據(jù)試算結果調整加筋材料，優(yōu)化布筋方案，再進行詳細計算。或者選擇多種加筋材料和擬定相應的多種布筋方案計算，并進行技術經(jīng)濟比較，從中選擇最佳方案繪制施工設計詳圖。

（2）堤底加筋墊層

根據(jù)情況，按式（3.71）或式(3.72)進行計算。

4.4.5 其它設計計算

（1）構件強度計算

面板承受填土壓力，填土壓力通過結點加筋材料向后傳遞。

（2）基礎沖刷與防護計算

（3）局部沖刷

4.5 加筋地基設計計算

條形加筋地基的承載能力可由下式計算：

P = a c Nc b + T ( 2 sinq + b Ngb / r ) + g Df Ng b (4.25)

式中，P ——加筋地基承載力(kN/m)；

a ，b ——地基形狀系數(shù)，一般a =1，b =0.5；

C ——地基土的凝聚力(kPa)；

Nc，Ng ——與內摩擦角有關的承載力系數(shù)，按建筑地基規(guī)范，可取Nc=5，Ng =1.39；

b ——基礎寬度(m)；

T ——加筋材料抗拉強度(kN/m)；

q ——基礎邊緣與加筋材料的傾角，一般取10° ~20° ；

r ——假想“網(wǎng)兜”的半徑(m)，取軟土層厚的一半，或取3 m，但不超過5 m ；

g ——地基土重度(kN/m3)；

Df ——填土下沉及側向隆起高度(m)。

5 加筋土工程設計注意問題

5.1 材料指標的選用

（1）加筋材料

加筋材料的設計取值，有兩個重要指標，即強度和變形，各種手冊和規(guī)范給出了一個較大的選擇范圍。在實際工程中，對合成類材料，應以2%變形時的強度值為控制值，最大不超過破斷荷載的1/4，同時還應注意材料的防老化性能；對鋼-塑復合帶，變形比較小，材料的設計取值不應超過其破斷荷載的1/3。對材料檢測中離散性較大的材料，強度設計取值還應適當降低。

（2）加筋體填料

加筋體填料的重度、內摩擦角、似摩擦系數(shù)等指標都應以實測值為準。

（3）后方填料及地基承載能力

墻后填料在工程設計中應予充分重視，其設計取值既關系到工程的安全，同時又與工程造價緊密相關。設計中對后方回填料應明確施工標準，對填筑方式和排水設施都應充分注意。

地基承載力指的是加筋體下的地基，其承載能力應以多種方式確定，以現(xiàn)場實測為主。

5.2 地基處理

當加筋體下的原狀地基承載力不能滿足工程要求時，地基就要進行處理。加筋土結構的地基處理常用方法有：

（1）換填——將軟弱層挖掉，換上片石、砂卵石等，分層碾壓填筑或夯填；對水下基礎用夯實的拋石基床比較適當。

（2）加大基礎梁的高度和寬度；

（3）加筋地基；

（4）強夯處理；

（5）樁基——單排樁連續(xù)地基梁或低樁承臺，根據(jù)穩(wěn)定要求定和現(xiàn)場施工情況定，可采用挖孔樁、鉆孔樁、楔形樁、碎石樁和灰土樁等；

（6）灌漿、高壓注漿及深層攪拌等。