高程鵬 王林 強(qiáng)健

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的凈水廠工程需要建設(shè)在地形、地貌較為復(fù)雜的山區(qū)中，由此帶來大量的土石方深挖高填工程。

按照常規(guī)的回填及坡面防護(hù)做法，填方邊坡的坡率一般控制在1∶1.5～1∶3之間［1］。但該做法經(jīng)常受到山區(qū)地形的制約，且會(huì)增加水廠征用地面積，大量增加土石方回填量，造成資源浪費(fèi)。故水廠中的高填方邊坡不能按常規(guī)做法實(shí)施，需要采取一定的支護(hù)措施，主要包括：重力式擋墻、土釘墻、樁錨結(jié)構(gòu)、加筋土擋墻或以上措施相結(jié)合的形式［2］。其中，重力式擋墻是較傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)，其施工簡單、技術(shù)成熟、認(rèn)可度高，對(duì)于墻體高度≤12m的擋墻可以直接選用國家標(biāo)準(zhǔn)圖集GJBT-750。土釘墻與樁錨結(jié)構(gòu)因其錨固體在填土中側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度難以得到保障，故在填方工程中的應(yīng)用受到很大的局限。加筋土擋墻目前主要應(yīng)用在鐵路與道路工程中，在水廠類廠站建筑中的應(yīng)用較少；但其具有變形適應(yīng)能力強(qiáng)、節(jié)約占地、造型美觀、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因而在水廠高填方工程中同樣具備較強(qiáng)的適用性［3-5］。

本文主要通過某凈水廠實(shí)際工程案例，利用Midas GTS三維有限元計(jì)算，將傳統(tǒng)重力式擋墻與加筋土擋墻從安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)位移、地基承載力、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出了加筋土擋墻支護(hù)方案，并結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。本文為加筋土擋墻在水廠高填方工程中的推廣與應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 工程概況

擬建江西省某凈水廠，水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為日供水量6萬m3/d。現(xiàn)狀場地為荒地，地勢(shì)起伏較大。場區(qū)南側(cè)及東側(cè)整平至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，可形成長約400m，最大高度為19m的高填方邊坡。

根據(jù)地勘資料得知，擬建高填方邊坡處揭露土層主要為①素填土、②粉質(zhì)黏土、④卵石土、⑤1全風(fēng)化千枚巖。其中：①素填土由各種風(fēng)化不一的基巖碎屑及粘性土組成；②粉質(zhì)黏土以硬塑為主，局部為可塑狀態(tài)；④卵石土為中密狀態(tài)，中細(xì)砂填充，粘性土包裹；⑤1全風(fēng)化千枚巖呈土柱、碎屑狀，部分尚可辨認(rèn)千枚狀構(gòu)造。本工程中各土層的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層分層及土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Soil profile and parameters

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 重力式擋墻方案

根據(jù)擋土墻國標(biāo)圖集GJBT-750，本工程中邊坡高度達(dá)到19m，故重力式擋墻需采用衡重式擋墻［6］。根據(jù)圖集中截面尺寸參數(shù)，擋墻的墻身總高15m，墻踵埋深2m，墻底寬7.5m，墻頂寬2.5m。擋墻上部采用自然放坡，高度6m，坡率1∶1.75。擋墻與放坡之間的馬道寬5m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 重力式擋墻方案示意Fig.1 Schematic diagram of the gravity retaining wall

2.2 加筋土擋墻方案

本方案中，加筋土擋墻高13m，坡率為1∶0.5，加筋長度12m，共設(shè)置12層土工格柵，層間距1m。土工格柵采用150型纖塑格柵作為筋材，纖塑格柵的參數(shù)要求見表2。擋墻上部自然放坡高度6m，坡率1∶1.75。擋墻與放坡之間的馬道寬5m，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加筋土擋墻方案示意Fig.2 Schematic diagram of the geogrid-reinforced retaining wall

表2 150型纖塑格柵參數(shù)Tab.2 Parameters of the Model150geogrid

兩方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Parameters of the supporting structure

3 數(shù)值計(jì)算模型

采用Midas GTS有限元分析軟件對(duì)兩種支護(hù)方案分別建立三維模型，如圖3所示。模型的高度為34m，寬度為68.7m，縱向?qū)挾葹?0m。其中，土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，重力式擋墻與土工格柵均采用各向同性的彈性單元進(jìn)行模擬。土工格柵與土體之間采用Midas GTS NX軟件內(nèi)置的Goodman接觸單元模擬兩者之間的剪切滑移作用。Goodman單元由接觸面兩側(cè)的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)所組成，單元的厚度為零，兩接觸面之間假想為由無數(shù)的法向和切向彈簧相連，彈簧剛度由軟件根據(jù)土工格柵所在土層的強(qiáng)度參數(shù)自動(dòng)計(jì)算得到。在施工過程模擬中，每一步均采用強(qiáng)度折減法來計(jì)算整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

蘇伊士船舶經(jīng)海盜高發(fā)區(qū)，海盜險(xiǎn)通常為0.125～0.2%船舶造價(jià)[3]，取0.15%。海盜高發(fā)區(qū)雇傭武裝保安，據(jù)航運(yùn)公司統(tǒng)計(jì)，護(hù)航7 d，武裝保安費(fèi)平均3萬美元。

圖3 重力式擋墻與加筋土擋墻支護(hù)有限元模型Fig.3 Finite element model of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall supporting system

4 方案對(duì)比分析

4.1 塑性區(qū)及安全系數(shù)對(duì)比

通過采用強(qiáng)度折減法，可以得到各支護(hù)方案的安全系數(shù)隨施工工況的變化。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013），該邊坡（擋墻）的穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.35［7］。

加筋土擋墻方案中，加筋土擋墻部分共分為13層，共設(shè)置了12層土工格柵。故施工工況分為15步：第1步為初始地應(yīng)力平衡，第2～14步為加筋土擋墻分層施工，第15步為加筋土擋墻頂部填土邊坡施工。

安全系數(shù)隨施工工況的變化規(guī)律如圖4、圖5所示，圖中的S2～S15分別表示第2步～第15步施工工況。從圖4中可以看出，從工況S2至工況S10，安全系數(shù)隨施工工況基本呈線性提高。此時(shí)的潛在滑動(dòng)面僅存在于加筋土擋墻頂部的原狀邊坡中；隨著加筋土擋墻高度增加，該滑動(dòng)面的范圍逐漸減小，安全系數(shù)也隨之提高。在工況S11時(shí)，加筋土擋墻高度為10m，頂部原狀邊坡的高度為9m。此時(shí)除原狀邊坡的滑動(dòng)面外，加筋土擋墻內(nèi)也出現(xiàn)了第二滑動(dòng)面。且在之后的工況中，隨著加筋土擋墻高度的增加，擋墻頂邊坡的滑動(dòng)面逐漸消失為坡腳局部的塑性區(qū)，加筋土擋墻的滑動(dòng)面逐漸貫通發(fā)展為主要的滑動(dòng)面。在這一過程中，安全系數(shù)隨之降低。

圖4 加筋土擋墻支護(hù)中安全系數(shù)隨施工工況的變化Fig.4 The variation of safety factor with construction steps in geogrid-reinforced retaining wall

圖5 不同工況下加筋土擋墻滑動(dòng)面位置及相應(yīng)安全系數(shù)Fig.5 The sliding surface and corresponding safety factor of the geogrid-reinforced retaining wall in different steps

由此可知，在加筋土擋墻的施工過程中，安全系數(shù)呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律；當(dāng)加筋土擋墻的高度與墻頂原邊坡高度接近時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最大值，隨后開始減小。

重力式擋墻方案中，重力式擋墻與墻體背后的填土考慮為一次性施工完成，故施工工況分為3步：第1步為初始地應(yīng)力平衡，第2步為擋墻施工與墻背填土施工，第3步為擋土墻頂部填土邊坡施工。第2步與第3步的潛在滑動(dòng)面位置及相應(yīng)安全系數(shù)如圖6所示。在擋墻施工完成時(shí)，安全系數(shù)為1.85；在墻頂邊坡施工完成時(shí)，安全系數(shù)降低為1.325，已經(jīng)不滿足規(guī)范中的最小安全系數(shù)要求。該方案中，潛在滑動(dòng)面共有兩處：一處沿著填土與原邊坡的交界面發(fā)展并貫通至填土邊坡坡頂，另外一處沿著擋土墻背豎向發(fā)展并延伸至填土邊坡坡腳。此外，墻底及墻踵周圍的土體也發(fā)展成為塑性區(qū)，產(chǎn)生了較大塑性變形。

圖6 不同工況下重力式擋墻滑動(dòng)面位置及相應(yīng)安全系數(shù)Fig.6 The sliding surface and corresponding safety factor of the gravity retaining wall in different steps

通過借助于理正巖土計(jì)算軟件（6.5PB5版）中的復(fù)雜邊坡驗(yàn)算模塊與衡重式擋墻驗(yàn)算模塊，本文計(jì)算了加筋土擋墻方案與重力式擋墻方案的整體穩(wěn)定安全系數(shù)的理論解，最終安全系數(shù)匯總?cè)绫?所示。從中可以看出，加筋土擋墻的兩個(gè)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果較為接近，能夠滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求的最小安全系數(shù)。而重力式擋墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)低于強(qiáng)度折減法安全系數(shù)，且略低于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求的最小安全系數(shù)。

表4 安全系數(shù)匯總Tab.4 Summary of safety factors

4.2 地基承載力對(duì)比

圖7所示為不同支護(hù)下，模型中軸剖面處基底反力云圖的對(duì)比。從圖7中可以看出，加筋土擋墻最大基底反力為151kPa，且分布較為均勻。重力式擋墻最大基底反力為310kPa，且為偏心反力，最大值分布于墻踵處。根據(jù)地勘報(bào)告，基底土層為④卵石土，地基承載力特征值為200kPa。由此可知，重力式擋墻支護(hù)的基底反力不滿足地基承載力的要求，需要額外采取換填、土體加固等地基處理措施或采取樁基礎(chǔ)。

圖7 不同支護(hù)下的基底反力云圖（單位：kPa）Fig.7 The cloud image of basal reaction in different supporting system（unit：kPa）

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移對(duì)比

圖8 不同支護(hù)下的位移云圖（單位：m）Fig.8 The cloud image of displacement in different supporting structure（unit：m）

重力式擋墻支護(hù)中的最大位移主要發(fā)生于上部的填土邊坡處，位移值為7.60cm，重力式擋墻最大位移發(fā)生在墻頂處，位移值為5.0cm。對(duì)比兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移趨勢(shì)可知，加筋土擋墻的位移以底部滑移趨勢(shì)為主，而重力式擋墻的位移以頂部傾覆趨勢(shì)為主。

加筋土擋墻與重力式擋墻支護(hù)中邊坡頂?shù)牡孛娉两登€如圖9所示。圖中地表坐標(biāo)x為坡頂距離模型左側(cè)邊緣的距離，沉降量Tz為土體的豎向變形量。加筋土擋墻的最大地面沉降為4.1cm，重力式擋墻的最大地面沉降為7.0cm；且重力式擋墻地面沉降值整體均大于加筋土擋墻地面沉降值。

圖9 不同支護(hù)下坡頂?shù)某两登€Fig.9 Settlement curve of the slope roof under different supports

4.4 其他結(jié)構(gòu)性與功能性對(duì)比

重力式擋墻與加筋土擋墻的其他結(jié)構(gòu)性與功能性對(duì)比見表5。

表5 重力式擋墻與加筋土擋墻對(duì)比分析Tab.5 Comparative analysis of gravity retaining wall and geogrid-reinforced retaining wall

此外，本工程中重力式擋墻方案每延米需要的毛石混凝土約102m3，直接工程費(fèi)用估算約為25500元/m；加筋土擋墻方案每延米的工程量統(tǒng)計(jì)見表6，直接工程費(fèi)用約為13900元/m。對(duì)比可知，加筋土擋墻支護(hù)的造價(jià)比同等條件下重力式擋墻支護(hù)節(jié)約45.5%。

表6 加筋土擋墻每延米的工程量統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistical table of the engineering quantities in the geogrid-reinforced retaining wall per meter

4.5 加筋土擋墻應(yīng)用的注意事項(xiàng)

水廠中加筋土擋墻的應(yīng)用也有一定的局限性，即廠區(qū)內(nèi)的水池、泵房等深埋或采用樁基礎(chǔ)的建構(gòu)筑物不能布置在加筋土擋墻的邊坡范圍內(nèi)。加筋土擋墻施工時(shí)是按照一層土工格柵＋一層回填土分層夯實(shí)施工，其依靠土工格柵與填土之間的摩擦作用，改善土體工程特性，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。而施工深埋基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，則會(huì)破壞土工格柵與填土之間的相互作用，導(dǎo)致筋材失效，邊坡失穩(wěn)。而重力式擋墻主要依靠擋墻自身的重力保證邊坡穩(wěn)定，其墻背填土主要為荷載作用，在確保不會(huì)有墻體附加荷載及擋墻自身穩(wěn)定的前提下，可以作為深埋或樁基礎(chǔ)建筑（構(gòu)）物的建筑用地。

因此，加筋回填土范圍內(nèi)不能作為廠區(qū)深埋或樁基建（構(gòu)）筑物的建筑用地。

5 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

經(jīng)過對(duì)比分析與方案比選，本工程采取了加筋土擋墻設(shè)計(jì)方案。根據(jù)前述加筋土擋墻有限元計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)潛在滑動(dòng)面基本都在填方邊坡與原狀邊坡的交界面上。故加強(qiáng)新舊邊坡交界面的連接設(shè)計(jì)，對(duì)加筋土擋墻的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

在填方邊坡與原狀邊坡交界面上采取了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖10a所示。首先挖除原邊坡表面虛土，并設(shè)置（0.9～1.5）m×1.0m防滑臺(tái)階。同時(shí)，為避免雨水入滲導(dǎo)致坡內(nèi)孔隙水壓力累積及交界面處回填土強(qiáng)度降低，在防滑臺(tái)階表面設(shè)置了500mm厚碎石排水層，在加筋土擋墻高度范圍內(nèi)設(shè)置4道水平碎石排水通道。加筋土表面采用透水格賓，其構(gòu)造示意如圖10b所示。格賓中采用質(zhì)地堅(jiān)硬、不易崩解和水解、抗風(fēng)化的塊石進(jìn)行填充，強(qiáng)度等級(jí)MU30，比重不小于2.5t/m3。同時(shí)在坡頂及坡腳設(shè)置排水溝。上述排水通道通過沿坡面布置的流水踏步共同作用，形成縱橫排水體系，將雨水及時(shí)有效導(dǎo)排至坡底市政排水體系，以確保新舊邊坡接觸面不會(huì)發(fā)展成為潛在滑移面，由此進(jìn)一步提高加筋土擋墻的整體穩(wěn)定性。

圖10 加筋土擋墻方案優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.10 Optimal design of the geogrid-reinforced retaining wall

6 結(jié)論

本文以某凈水廠19m高填方工程為例，通過建立Midas GTS三維模型，對(duì)比分析了加筋土擋墻與重力式擋墻應(yīng)用于凈水廠高填方工程時(shí)的安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)位移、地基承載力、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)性等多項(xiàng)指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

1.對(duì)于邊坡高度較高的高填方支護(hù)工程，加筋土擋墻表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在安全系數(shù)高、支護(hù)位移與土體位移較小、造價(jià)較低、基底反力小等。

2.高填方工程的加筋土擋墻在施工過程中，安全系數(shù)呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律；當(dāng)加筋土擋墻的高度與墻頂原邊坡高度接近時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最大值，隨后開始減小。

3.選用加筋土擋墻時(shí)需要注意加筋回填土范圍內(nèi)不能作為廠區(qū)深埋或樁基建（構(gòu)）筑物的建筑用地。

4.本工程中加筋土擋墻潛在滑動(dòng)面基本都發(fā)生在填方邊坡與原狀邊坡的交界面上，因此可沿交界面設(shè)置防滑臺(tái)階、碎石排水層等措施增加加筋土擋墻的整體穩(wěn)定性。