张锦宇;黄东风;翁伯琦;董晓宁;罗旭辉
【摘 要】通过福建长汀基地的草袋加筋土墙设计施工实践和研究,提出“草袋加筋土墙”用于水土保持的设计理念,阐述了草袋与内置绳组合的新结构体在整体稳定、内应力平衡等方面的理论计算模型和方法,通过试验确定内置绳拉筋的极限值及其变形对容许应力取值的关系,据此建立起拉筋锚固长度与土体咬合变形的理论关系,提出了使用本方法在使用寿命上和施工上可能遇到的问题和处理措施,确立了土墙应有的构造和形成条件,阐明了现场施工注意事项,对工程防治南方水土流失具有一定的应用价值.
【期刊名称】《福建农业学报》 【年(卷),期】2015(030)012 【总页数】4页(P1203-1206)
【关键词】草袋加筋土墙;设计;施工;水土保持 【作 者】张锦宇;黄东风;翁伯琦;董晓宁;罗旭辉
【作者单位】福建省农业科学院,福建福州 350003;福建省农业科学院土壤肥料研究所,福建福州 350013;福建省农业科学院,福建福州 350003;福建省农业科学院畜牧兽医研究所,福建福州350013;福建省农业科学院农业生态研究所,福建福州 350013
【正文语种】中 文 【中图分类】S157.1;S26
加筋土挡土墙具有结构简洁、外形美观、施工简便、工程造价省、对地基基础变形要求低等特点，已被应用到公路、铁路、水利、煤炭等行业的基本建设之中[1]。目前应用较多的加筋土挡土墙的种类有：土工格栅加筋挡土墙[2]、复合结构加筋土挡土墙[3]、自嵌式加筋挡土墙[4]、加筋土干垒块挡土墙[5]、钢塑复合拉筋带加筋土挡土墙[6]等。草袋加筋土墙是本课题组人员在长汀水土流失区长期治理研究经验中总结出来的一种新型挡土墙，是一种治理南方红壤山地丘陵区崩岗的一种有效技术手段。草袋加筋土墙是由堆砌的土草袋 (草袋内装土加尼龙绳)、填土(多用粗粒土或选用黏性土)及在填土中所布置一定量的拉筋如尼龙绳、土工织物、聚丙烯拉带、塑料包装带、竹筋等所组成的一个整体。它同时具有2个功能，既是植物根系土壤，又是保证土壤稳定的结构体，是集岩土工程结构、绿色生态于一体，由特定功能及技术要求组成的综合体。在这个综合体内有3种力，即作用在草袋背上的侧土压力、内置拉筋拉力以及填料与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力，这些内力互相平衡，保证其内部稳定。同时，加筋土这一整体还要抵抗拉筋尾部后面填土所产生的侧土压预应力，从而保证其整体稳定。由于布置各类纤维材料的土体能大幅提高土的抗剪强度。只要加筋材料能与土体紧密咬合，一般情况是加筋越密，内摩擦角值越大，土体的综合强度也越大。因此，加纤维拉筋的主要作用在于加大土的内摩擦角φ值。目前，有关用于水土保持的草袋加筋土墙设计与施工技术的系统介绍尚未见报道。
本研究介绍了草袋加筋土墙用于水土保持的设计理念，探讨了草袋与内置绳组合的新结构体在整体稳定、内应力平衡等方面的理论计算模型和方法，通过试验确定内置绳拉筋的极限值及其变形对容许应力取值的关系，据此建立起拉筋锚固长度与土体咬合变形的理论关系，提出了使用本方法在使用寿命上和施工上可能遇到的问题和处理措施，确立了土墙应有的构造和形成条件，阐明了现场施工注意事项。本研究结果将为草袋加筋土墙技术在南方红壤山地丘陵水土流失区的崩岗治理提供有益
借鉴。
土力学理论分析和野外实测表明[7]：不同深度内置每根拉筋的最大应力点的连线呈螺旋曲线，为简化计算设计中采用库仑土压力理论假定的直线滑动面，设滑动线下部与墙体脚部外侧相接，上部近似为一竖线，与填土表面相交。曲线左边靠近草袋部分的土体为主动区 (或非锚固区)，右边的土体为被动区 (或锚固区)。在主动区内土体有拉动拉筋的倾向，其拉筋受力在滑动体内为拉力；在被动区土体有握住拉筋的倾向，其拉筋受力属锚固性质，锚固长度L(图1)。草袋加筋土墙是一种新型挡土墙，可以认为草袋加筋土墙是以草袋内装土替代传统的石材墙身，其结构受力及稳定性分析的目的在于在给定条件下确定合理的断面尺寸，或验算土坡已拟定的断面尺寸是否稳定和合理。因此其设计与传统挡土墙既有相似之处又有许多不同点。以下简要介绍其总体稳定性计算、侧土压力、拉筋拉力、横截面积和总长度等几方面在工程设计实践中的具体应用情况，来说明其理论计算模型和设计方法的确立过程。
1.1 加筋土体的总体稳定性计算
总体稳定性计算应包括传统挡土墙中抗滑稳定性、地基承载力、地基沉降的验算。 (1)在验算草袋加筋土墙底面的抗滑稳定性时，可将其看作为一个整体，并将其后面作用的主动土压力作为外力进行验算，抗滑稳定系数可取1.4～1.5。此外，还应验算其下面的深层滑动稳定性，有无可能在滑动时穿过加筋土挡土墙。除某些特殊情况下，滑动面一般可认为是圆弧。
(2)地基承载力验算是指拉筋和土下面的基底压力与墙面草袋下基底压力都应小于或等于地基土的承载力。
(3)由于草袋加筋土墙具有很大的柔性，一般能承受很大的沉降而不产生危害，且拉筋体为土墙一部分,土墙高宽比决定其不大可能发生整体倾覆稳定性破坏，不过其沉降差异应控制，以不超过1%范围为宜。
1.2 墙身应力验算
(1)侧土压力计算： 按库伦理论计算，关键是确定作用在加筋土墙背上侧土压力的性质、大小、方向和作用点。
(2)草袋墙体墙身强度验算： 按Mobr-Coulomb理论强度[8]计算，关键是确定土工袋的极限抗压强度外荷载效应以及袋子张力作用在土体上的附加等效应力三者之间的受力平衡。
(3)拉筋拉力： 当草袋加筋土墙背上土体主动土压力充分作用时，每根拉筋除了通过摩擦力以阻止部分填土的水平位移外，还能拉紧一定范围草袋，使得拉筋能和主动土压力保持平衡。因此，每根拉筋所受的拉力随深度的增加而增大，而最下面的一根拉筋的拉力为最大，即 Fl=Gs·H·Ka·Lx·Ly
式中： Gs为填土的重度， H为挡土墙的高度，Ka为主动土压力系数， Lx、Ly为拉筋间的水平和竖向间距。 1.3 拉筋截面面积及其抗拉强度 拉筋所需的横截面面积A为:A = Fl /Rg
式中：Rg为拉筋的设计拉应力即容许拉应力。实际上，还应考虑拉筋防腐蚀所需增加的尺寸。
拉筋的抗拉强度主要取决于其材质和横截面面积。拉筋抗拉强度的试验步骤如下：将UH-F50KNC万能实验机台作水平调整，使之呈水平状态；确认电源符合规定要求，并打开控制面板上的电源开关，此时各按钮、指示灯亮及推拉力计各控制电器处于通电状态；选择适当的测试速度，正确装置供试材质拉绳试片；调整上、下行程设定环至所需范围的上下限位置；按启下降或上升按钮，使中联板下降或上升，开始测试，此时显示器开始显示出供试拉绳试件拉力数值，直到尼龙绳的试件断裂或破坏时，荷重保持最小值，记录数值后，取下断裂或破坏试件；依上述方法夹持
拉绳试件及显示器数值归零后即可再测试，测试完成后关闭电源，完成测试过程；最后根据相关计算公式整理测试结果(表1)。 1.4 拉筋的总长度
每根拉筋在工作时都有被拉出的可能，因此要计算拉筋的锚固长度L0。 在锚固区内由于拉筋与填土之间的摩擦作用而使拉筋产生的抗拉力Fk等于: Fk=2L0bGsHf
式中: b为拉筋的宽度， f为填土与拉筋间的摩擦系数，由试验确定, 它与侧限压力、填土种类和密度以及加筋材料的类型有关。 在同一深度处抗拔系数Kb为: Kb=Fk/Fl =2L0bf/ Ka·Lx·Ly Kb值经验取值为1.5～2.0。
由上式可见Kb与锚固长度L0成线性相关，而与拉筋埋深无关，拉筋的锚固长度为：
L0= Ka·Kb·Lx·Ly/2bf
按其构造要求L0还应>0.7 h，h为绳埋置深度。拉筋总长度L等于受拉区长度与受压区锚固长度之和，由此可得拉筋的锚固长度。
草袋加筋土墙的设计施工方法是否正确，直接影响其质量好坏和使用寿命，并有可能导致不良的后果。在设计时应注意以下方面。 2.1 草袋的选择
草袋作为土墙的表面，包裹着土体，对土墙表层结构起决定性作用。应选用工程环保种草袋,如以聚丙烯(PP)或者聚酯纤维(PET)为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的土工袋子。 2.2 拉筋的选择与连接
拉筋的材料选择主要考虑土墙设计使用寿命，当设计使用寿命为25年以下时，可
采用表1参考数值,当设计使用寿命为50年时,表1拉筋Rg参考数值应按规范[9]修正。
拉筋通过与拉绳配套的双叉、3～8叉绳套与和草袋连接,在选用上优先采用国际登山联合会(UIAA)标准。 2.3 在施工时应注意的事项
(1)施工前应先做好坡顶地面排水，防止雨天上部流水，造成土体夯填失败。 (2)在松散坡积层上修土墙时，不宜全面整段开挖，宜采用间隔分段开挖。挡土墙全长应分段砌筑，并将每段土墙基础埋置在均质土上。每段长度当墙高<4 m时，宜在18 m左右，>4 m时，不超过12 m。
(3)回填墙后土壤时，土壤必须分层夯实，拉筋分层布置, 保证质量，使填料的重度、内摩擦角等符合设计要求。当草袋加筋土墙的高度超过4 m时，宜沿墙高每隔0.3～0.5 m设置一层拉筋，它与土体夯实配合，使土体与绳上、下层充分交错咬紧。 宜优先采用拉绳配套的多叉绳套作为拉筋与草袋间的连接件。 (4)相邻两段的地基标高不同时，在地基标高转变处，应设拉筋连结草袋。 (5)草袋之间应用绳绑接，形成整体。扣接方法是先将草袋水平放置，将标准扣骑缝放置，上层草袋叠砌其上将结构压实成整体互锁结构。
草袋加筋土墙是重力式挡土墙的变化方式与新的种类，或者也可称之为防控水土流失的新模式，以草袋内装土替代传统的石材墙身，尤其是不同质地的袋子再通过沥青等防腐材料处理之后，其使用年限将延迟数年，其在高速公路边坡防护工程则是有选择的加以运用。但其没有合理采用加筋处理，运用效果并不到位。本方法可有效用于防控崩岗治理，同时草袋土墙本身还具有替代原有土壤表面，改善种植于其上的植物土壤条件的功能，其柔性及抗震性较好，施工简便，造价较低，能自由堆砌，是我国南方山地丘陵红壤区防治水土流失，尤其是适用于山地红壤崩岗治理的一种新型有效技术，值得今后加强推广应用。
*通讯作者：翁伯琦(1957-)，男，研究员，主要从事生态农业技术与土壤肥料研究(E-mail:****************) 【相关文献】
[1]霍建平. 加筋土挡土墙在铁路专用线中的应用[J]. 江苏交通科技,2013，(1):37-40.
[2]金艳丽,黄小华. 土工格栅加筋挡土墙在某高填路基中的应用[J].施工技术, 2009，(7): 76-78. [3]许道龙,汪凌,龚宾. 复合结构加筋土挡土墙的设计与施工[J]. 安徽水利科技,2003，(4): 33-35. [4]信文彦,刘云. 自嵌式加筋挡土墙在布尔哈通河防洪工程上的应用[J].吉林水利,2008，(11):54-56. [5]刘鹰.加筋土干垒块挡土墙内部稳定的设计与施工[J]. 建筑技术,2004,35(11):849-850. [6]吴红军,徐科凤.钢塑复合拉筋带加筋土挡土墙设计[J].湖北水力发电,2003，(1):32-34. [7]李驰.土力学地基基础问题精解[M].天津:天津大学出版社, 2008.
[8]白福青,刘斯宏,王艳巧. 土工袋加固原理与极限强度的分析研究[J]. 岩土力学,2010,(8):172-176. [9]中华人民共和国住房与城乡建设部,中华人民共和国质量监督检验检疫总局. 中华人民共和国国家标准: 建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012-03-01.
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