莫海强
（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）
摘 要：加筋挡土墙因其具备的经济性和技术性优势，在建设中得到了广泛应用。本文详细梳理了加筋土墙的发展历史和我国加筋土挡土墙的应用情况。同时，调查了加筋土挡墙常用材料和性能指标；进一步就加筋土挡墙的规范设计方法和其他设计方法进行了梳理，指出现阶段设计方法的不足指出和发展方向。
关键词：加筋土挡土墙；材料；性能；设计方法
1 引言
加筋土挡土墙是现阶段市政道路挡墙建设中，使用较为广泛的一种挡土墙，其建设成本较低，实用性较高，特别适用于地形复杂的地段。加筋土挡土墙的作用主要是承受侧压力，利用填料与筋带之间的摩擦力，达到稳固岩土结构的目的，其主要由填料、筋带和混凝土面板构成，在地形比较复杂的地方使用有较大优势，特别是当项目建设空间狭小，无法修筑传统挡土墙。
加筋土工程起源于法国，由亨利·维达尔 (Henri Vidal) 于1963年所发明，他首先研究了土中加筋的作用，而后付诸于实践[1]。1965年冬季，法国建成了世界上第一座加筋土挡土墙。日本于1967年便将此项技术引进，并且在日本国营铁路进行了原型实验，后又进行了该结构对地震的适应性试验。1972年，美国第一个加筋挡土墙修建于加利福尼亚州洛杉矶东北部的39号高速公路[2]，而后该技术被大面积推广，且于1974年被批准可以代替传统的施工方法。自加筋技术问世以来，不同的加筋体系得以发展和应用。当前，加筋土结构的材料和工艺的发展，使加筋结构的应用更加广泛。我国应用加筋土技术已达上千年，古代的劳动人民最初采用的加筋材料都为天然植物纤维，如竹子、树枝、草等，但遗憾的是，这些加筋土的应用由于无人进行系统地总结和完善，因此该技术在我国早期没有较大发展。
加筋土技术于20世纪70年代末才在我国开始蓬勃发展，我国于1980年在山西修建了第一座加筋土挡土墙[3]。同时，在工程实践的基础上研制了很多符合我国国情的结构形式和材料。近年来，我国更加重视加筋土挡土墙的应用，迄今已建立数千座加筋土工程，广泛应用于路基、水利、水运、城市建设等工程中。路基加筋挡土墙的应用，可有效改善地基施工环境，提升路基稳定性。同时，针对路基承载力偏弱的问题，采取路基加筋挡土墙的方式可改善施工环境，使地基具备较强的承载力，在较极端的地质环境中具有适用性[4]。
加筋挡土墙因其具备的经济性和技术性优势，在建设中得到了广泛应用。作为新型完整结构，具有占地少、结构新颖、对生态环境所造成的破坏小等优点，能够起到环境保护的作用。因此，加大加筋挡土墙技术的应用和推广力度有着非常重要的现实意义。
2 加筋土挡墙材料调查与评价
2.1 常用材料
土工合成物如聚丙烯、尼龙、聚乙烯和聚酯等，我国首先采用聚丙烯塑料带，并广泛应用与公路工程。20世纪80年代中期，随着土工合成材料的蓬勃发展，土工格栅被广泛用作加筋土挡土墙的筋材。土工合成物的运用，有利地推动了挡土墙拉筋的发展，但因其变形和蠕变都较大，且因其使用年限短而无法认证抗老化性能。
金属材料如扁钢带和带肋钢带，这类拉筋的效果好，但造价很高，长期防腐难以保证。在20世纪末，国外大都采用小于12 cm宽的镀锌钢带或钢带。我国80年代初期曾试用复铜废钢带作为拉筋，充分利用了就地取材的优势，产生了较好的效果，但并未解决筋带较易腐蚀的问题。
复合材料常用的有钢筋混凝土带和钢塑复合加筋带，我国铁路设计基本上是采用混凝土分节串联加筋。经过众多的工程实践发现，该种材料的拉筋适合我国国情，并已为广大加筋土挡墙工作者所采用。
2.2 材料性能指标与评价
加筋挡土墙主要包含有三大组成部分：筋带、填土材料和墙面板。
（1）筋带
筋带材料主要分为有机材料和无机材料两大类。挡土墙采用的筋带必须具备受力后变形小、强度高并且能与挡土墙填料之间产生足够的摩擦力的高韧聚酯加筋土工布。纵向抗拉强度≥100kN/m，横向抗拉强度≥50kN/m，纵横向抗拉延伸率≤12%；加筋材料应根据产品的特性和要求，注意保护，避免受到雨淋、阳光暴晒、紫外线照射等情况。
（2）面板
挡土墙采用钢筋混凝土面板，在保障拉筋端部土体的稳定，面板必须有足够强度；为抵抗预期的震动和冲击作用，面板还应具有足够的刚度。墙面板根据材料、形状、工艺分为多种不同的型号与规格，在选用时需要结合墙面板的使用范围与使用要求进行综合性的选取。
（3）填料
填料是挡土墙主要的构成材料，其性能首先必须满足一定的水稳性，并且不会腐蚀筋带，同时能与筋带产生足够的摩擦力，其次填料的选用必须采用透水性较好的碎（砾）石类土和砂类土，填料最大粒径不得大于5 cm；填料前，必须对土料进行土工试验，待合格后方可进行碎石土搅拌填筑，严格控制碎石、土料的配比。填土材料最优的是优质碎石土。
3 加筋土挡墙设计方法
用于确定主动土压力的常规方法主要分为3种:极限平衡法、数值模拟法和极限分析法。极限平衡法是岩土工程中最常用的方法。库伦和朗肯的理论是基于极限平衡法预测土压力的经典理论。极限平衡法优势在于解决问题方法的简易性。数值方法是计算土压力问题的另一种方法，其中有限差分和有限元方法是岩土工程中常用的数值方法。
3.1 规范设计方法[5]
《公路挡土墙设计与施工技术细则》（2008）将加筋土挡土墙设计计算分为内部稳定计算和外部稳定计算两部分。
（1）加筋土挡土墙内部稳定计算
加筋土挡土墙内部稳定性计算分为两部分：筋带的抗拉强度验算和全墙抗拔稳定性验算。
不同深度的筋带长度由两部分组成，一部分为活动区长度，一部分为锚固区长度。其中锚固区长度根据筋带上下两个面的摩擦力所能够提供的抗拔力进行计算，筋带活动区的长度可以按公式计算：
式中：
H1——破裂角上部的竖直部分长度；
H——挡土墙总高度；
zi——土层深度；
——内摩擦角。
（2）加筋土挡土墙外部稳定计算
加筋土挡土墙外部整体抗滑动稳定性计算，可采用圆弧滑动面模型进行计算，其中抗滑动稳定计算系数Ks，可以按公式进行计算：
式中：
——第i条土的粘结力；
——圆弧的弧长；
——第i条土的重力；
——第i土条滑弧的法线与竖直线的夹角；
——第i土条滑动面处的内摩擦角。
加筋土挡土墙的整体外部稳定性系数应该满足Ks>1.25的基本要求。
3.2 其他设计方法
现行《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）[6]采用静力法对挡土墙进行动力特性分析。静力法假设加筋土作为整体单元，无法计算填土、筋带与面板时程受力特性，不能全面揭示加筋土挡墙动力特性界。因此，近年来有学者采用数值模拟与极限分析等方法用于分析地震动荷载作用下加筋土挡墙各构件相互作用机理及其受力特性。
任传亭[7]采用数值分析软件FLAC3D对加筋土挡墙地震动力特性进行研究，指出加筋土体的加速度沿墙高逐渐增大，在坡顶临空面处达到最大值；顶层及底层的筋带拉力出现了不同程度的衰减，甚至出现筋带拉力失效状况。尹杰明[8]基于Mohr-Coulomb准则，使用FLAC软件内嵌土工格栅单元构建模型分析地震载荷作用下加筋挡土墙中筋材与填土之间的相互作用力，指出地震前土压力呈现为上小下大的梯形分布，同时受面板刚度较大的影响，加筋挡土墙表层土体受拉力较大。地震力作用在加筋挡土墙填土上时，最大土压力出现在加筋挡土墙底部，并随着高度升高而振幅减弱，并在超过加筋挡土墙4/5高程时变化趋于稳定。葛允雷[9]等结合现场监测试验采用FLAC3D有限差分软件对退台式格宾箱加筋路堤墙墙后土体水平土压力、挡墙内部土体水平变形、挡墙内部垂直土压力以及筋材应变分布进行了数值仿真分析。
随着土体塑性理论的发展，极限分析上限法在土压力的计算中取得了一系列成果。Chen[10]运用极限分析上限法，采用双三角形、对数夹层和圆弧夹层等多种刚性破坏机制计算主动土压力。上述方法在一定程度上完善了加筋土挡土墙的设计计算方法，取得了一定的成效。
3.3 设计方法不足
许多工程实践和理论研究表明，加筋土挡土墙设计方法存在一定程度上的不足。由于加筋土作用机理的复杂性导致多种不完备设计理论并存，有时依据设计理论计算的数据在模型试验中不能得到理想验证，而从模型试验中得到的数据有有时又与现场实测数据差异较大，这使得设计人员对加筋设计信心不足，为工程安全考虑只好依据个人经验增加拉筋数量，从而导致费用增加[11]，并且筋带表面难以防腐以及对填料适应性较差等问题一直亟待解决。
4 结束语
随着我国经济建设的飞速发展，国内对于此技术的重视程度也在逐渐提升，采用加筋土挡土墙技术的工程会越来越多，因此研究此类加筋土技术和拉筋的发展，同时以此为依据指导支挡结构的设计和施工，对建设美丽中国、提高支挡结构可靠度及减少工程耗费具有重要的现实意义，也具有很高的工程实用和经济价值。同时，加筋土挡土墙相较于其他类型的挡土墙而言，其施工造价不高，工期也较短，在复杂地形路段适用性很强。但在施工时必须严格加强现场质量管理，注意按照技术标准和规范施工；同时现场也必须采取妥善安全保障措施，如做好开挖边坡防护工作，对沿线其他构造物处做好防护处理，并随时做好沉降观测等。
在工程中，加筋挡土墙结构作为新型的结构物得到广泛应用，在节省耕地方面具备一定的应用优势，另外应根据工程实际情况，使经济性和技术性更好地融合，随着技术研究的深入进行，在技术工艺、成本费用以及造型外观等方面不断进行探索和研究，使加筋土挡墙技术越来越成熟，其未来的应用领域也更为广阔。
参考文献
[1] 季文军. 加筋挡土墙的发展和施工方法[J]. 科技信息 (科学教研), 2008 (18): 456-457.
[2] 李莉, 蒋鹤. 美国加筋土挡土墙的应用与发展[J]. 中外公路, 2000, 20 (5): 11-14.
[3] 陈忠达. 公路挡土墙设计[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.
[4] 王天鹏, 贾其萃, 马子昌. 浅谈加筋土挡土墙及拉筋的发展[J]. 科技与创新, 2019(06): 64-65+67.
[5] 第二公路勘察设计研究院有限公司. 公路挡土墙设计与施工技术细则[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.
[6] 公路工程抗震规范（JTG B02-2013）[S]. 北京：人民交通出版社，2013.
[7] 任传亭. 基于FLAC3D的加筋土挡墙动力特性分析[J]. 公路交通技术, 2019, 35(06): 12-17.
[8] 尹杰明. 加筋挡土墙在地震作用下的数值分析[J]. 科技创新与应用, 2019(34): 48-49.
[9] 葛允雷, 张帅,杨果林等. 退台式格宾加筋挡土墙现场测试及数值模拟分析[J]. 公路工程, 2018, 43(02): 72-78.
[10] Chen. W. F. Limit analysis and soil plasticity[M]. Amsterdam: Elsevier, 1975.
[11] 张国活. 加筋环技术在加筋土挡墙中的应用[J]. 西部探矿工程, 2009, 21 (3) : 172-174.