加筋土工布对减少土压力的研究和实践
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，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
含水量 w(％) | 重度 γ（kN/m3） | 直接快剪 | 固结快剪 | 孔隙比 e | 塑性指数 ＩL(%) | 地基容许承载力 Ｒ（kPa） | ||
c | Φ | c | Φ | |||||
32.3 | 19 | 11 | 24 | 8 | 35 | 0.88 | 9.2 | 120 |
根据已有的地基参数，对挡墙进行了稳定分析，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Qd=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Rd＝778kN，满足上部荷载的要求。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Rk为747kN，对应的设计值Rd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
方案 | 技术方面 | 难度 | 工期 | 方面 |
接长底板前趾补桩 | 受力计算分析明确，概念清晰，但需修改原挡墙图 | 增加的桩需重新制作，改变了原组织设计计划流程，难度较大 | 最长 | 较大 |
压密注浆 | 受力分析不甚明确，加固效果对受力分析影响较大，经验假设较多 | 难度较小，但加固效果的离散性较大，并改变了原工序 | 较长 | 较大 |
墙后铺设加筋土工布 | 受力计算相对较明确，不需修改原挡墙图 | 难度最小，不影响原组织设计计划工序 | 同原工期 | 较小 |
接长底板后趾 | 受力计算分析明确，概念清晰，但需修改原挡墙图 | 难度小，但影响组织设计计划工序，并需增加挡墙的开挖面 | 长 | 较小 |
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
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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；EA为全墙单宽所受的主动土压力合力。
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各加筋土层厚度ΔHi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）；Fτ——抗拉安全系数；γ——回填土的容重（kN/m3）；Ka——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
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式中：Fm——锚固安全系数；τmi——第I层土工布与填土的界面摩擦阻力强度（kPa）。
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b. 滑动区长度的确定
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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；Lp——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
区段 | 1～4 | 4～7 | 7～10 |
长度（m） | 11.4 | 14.4 | 18.0 |
3. 加筋土工织物的特性试验
3.1加筋土工布抗拉强度试验
室内加筋土工布试样采用宽条试样（宽度为200mm）进行抗拉强度试验，并采用较慢速的拉伸速率（20mm/min）。抗拉强度试验结果见表4。
表4 复合加筋土工布室内抗拉强度结果
性能 方向 | 抗拉强度 （kN） | 伸长 （） | 断裂伸长率 （%） | 拉伸时间 （s） | 每米抗拉强度 （kN/m） | CBR （kN） |
纵向 | 13.26 | 31.70 | 31.73 | 96.20 | 66.30 | 6.44 |
横向 | 11.46 | 22.60 | 22.60 | 68.50 | 57.30 |
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室内加筋土工布的抗拉强度试验见图3。
图3 应力～应变关系曲线
3.2 加筋土工布与土相互作用时界面摩擦特性试验
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加筋土工布埋置于填土内，受到沿其平面方向的拉力时，将在拉力方向上引起应力和变形。由于有法向应力作用，受拉时上、下界面上将引起摩擦阻力。该阻力沿拉力方向并非均匀分布，随各点的应变不同而不同。材料被拔出的瞬时，上、下界面的摩阻力可认为均匀分布，并与拉力平衡，该值即为界面的摩擦强度，可按下式：
式中：τ为界面摩擦阻力强度（kPa）；Td为土工布被拔出时的瞬时拉力（kN）；L、B分别为土工布试样埋置在土内部分的长度、宽度（m）。
.试验箱采用50×50×30cm3（长×宽×高）的矩形盒，加筋土工布平放在两盒之间，在抗拔方向先后均留有窄缝，可从中引出试样，与施加拉力的夹具连接，再连到加荷装置上，见图4所示。
图4 加筋土工布试验箱示意图
当加载至Td=283.4kg时，复合加筋土工布从土体中拉出，根据公式（6），界面摩阻力强度τ=5.56Mpa，加载过程中的加筋土工布变形情况见表5。
表5 现场试验加载过程中的加筋土工布变形表
拉力（kg） | 位移（mm） | ||
左边 | 中间 | 右边 | |
147.3 | 7 | 4 | 8 |
192.35 | 18 | 8 | 15 |
283.4 | 破 坏 | ||
通过表5可知，加筋土工布在土中的变形形态同室内抗拉试验类似，变形分布为两边大，中间小，即受力分布为边缘大，中间小。
4 加固效果监测分析
为了检验复合加筋土工布减少墙后土压力的作用，在挡墙后侧埋设了土压力盒，从图4可看出，土压力随填土厚度的增加而逐渐加大，整个填土过程土压力呈线性增长，并随着墙后填土达到设计高程以及墙前通水后，趋于稳定状态。通水后墙后土压力各高程的实测值以及采用Ranking理论计算的土压力值见表6。
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图4 土压力值随时间变化拟合曲线
表6 挡墙前通水后土压力实测值
土压力盒高程（m） | 3.0 | -1.0 | -4.0 |
Ranking理论（kPa） | 31.75 | 71.74 | 101.72 |
实测值（kPa） | 31.76 | 70.45 | 80.35 |
从实测值分析，加筋土对墙后上部填土的土压力减少并不明显，在高程-1.0m以上一些测点数值还略大于理论计算值，土压力近似呈三角形分布。而在高程-1.0m以下，加筋土对减少墙后填土的土压力的作用非常明显，土压力基本呈矩形分布，在高程-4.0m处，土压力实测值与理论计算值相比，减少率达21%。
由于加筋土具有较大的变形特征，在墙后填土完成后，随着加筋土工布的伸长，作用在挡墙背面仍有相当的土压力，根据现场测试的土压力数据，对桩基承担的荷载进行复算，单桩最大桩顶荷载Qd=451.12<Rd=466.9（518.7）kN，满足实际单桩承载力的要求。
5． 结论及建议
在桩基承载力不能满足要求的情况下，采用加筋土减少挡墙后土压力的措施，通过工程实践证明具有一定的效果，特别是墙后下部土体，由于筋带与土联合作用，对土压力起到了较好的卸载作用。
土工合成材料受力后具有较大的伸长率以及蠕变特性，由于工期较紧，未对复合加筋土工布进行常规的蠕变试验。根据理论分析，在加筋土工布充分受力变形后能够承担全部的墙后土压力，而实际工程中，加筋土工布张拉变形至一定程度，墙后填土就必须完成，因此形成了加筋土工布和挡墙共同作用的受力模式。
考虑到中铺设加筋土工布的紧密程度直接影响其减少土压力的作用，所以在设计中，为了减小加筋土工布的变形对挡墙土压力的影响，在加筋土与挡墙间预留1m的孔隙，在加筋土铺设至一定的高程并充分受力后，再采用中粗砂对空隙进行回填，从现场的变形观测情况分析，此措施起到了比较好的效果。
在今后类似的工程中，若有条件建议进行土工合成材料的蠕变试验，以便了解加筋材料的变形性状特征从而对工程具体情况起到更好的指导作用。
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[1] 何光春. 加筋土工程设计与，北京：人民出版社，2000年4月.
[2] GB50290-98，土工合成材料应用技术规范[S].
Study and practice of reinforcement geotextile to reduce soil pressure
Abstract: For reduce the most vertical load of retaining wall pile and suffice the demand of bearing capacity of actual measurement, the scheme of using geotextile to reduce soil pressure were determinate. Based on a theory of reduce soil pressure with interior and outside experiment of reinforcement geotextile. It is conclude that the effect of using geotextile to reduce underside oil pressure at back of the retaining wall. Providing some base of theory and value of application for similar project.
Key words: reinforcement geotextile; reduce soil pressure; bearing capacity; experiment of characteristic