土路肩

概述

衡重式擋墻作為重力式擋墻的一種，與其它重力式擋墻相比，因衡重臺的作用，可使墻體重心后移，改善基底壓力分布使之更趨平衡，提高擋墻高度以及增強擋墻的抗傾覆穩(wěn)定性。但是由于衡重式擋墻的墻背形式較為復(fù)雜，加之上墻背與下墻背承受的土壓力存在相互影響現(xiàn)象，也使其墻背土壓力的性質(zhì)較其它重力式擋墻更為復(fù)雜。衡重式擋墻的墻背土壓力計算仍以經(jīng)典Coulomb土壓力理論為基礎(chǔ)，多采用折線形墻背的土壓力計算方法，即上墻和下墻分開考慮，上墻將填土側(cè)墻頂邊緣與衡重臺外緣相連，作為假想墻背，按假想墻背的Coulomb理論求得土壓力；下墻則采用延長墻背法計算Coulomb土壓力，并認為土壓力沿墻高呈線性分布。然而，大量的模型試驗和現(xiàn)場測試表明，即使是剛性擋墻背的土壓力沿墻高也大多呈非線性分布，就衡重式擋土墻而言，由于衡重臺的存在導(dǎo)致墻背面呈不平整狀，墻土間相互作用復(fù)雜，引起墻背土體破壞和土壓力分布模式的劇烈變化是一個值得探討的問題。此外，在高大及受力情況復(fù)雜的擋墻背土體中鋪設(shè)土工格柵加筋技術(shù)得到了較廣泛的應(yīng)用。一方面，鋪設(shè)于墻后土體中的土工格柵，通過與土體的摩擦作用及格柵網(wǎng)眼的嵌鎖、咬合作用，限制土體側(cè)向變形，增強土體的整體性，減小墻背承受的土壓力；另一方面，墻背土體加筋后，也會更進一步加劇墻土間相互作用的復(fù)雜性，尤其是衡重式擋墻背土體加筋之后的土壓力作用特性、破裂面形狀和位置等問題尚不十分明確。因此，研究衡重式加筋土擋墻的土壓力特性和墻后土體的變形特點，對完善該類墻型的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

以某山區(qū)公路舊路拓寬改造工程中所應(yīng)用的陡坡樁基托梁地基路肩衡重式加筋土擋墻為原型，考慮墻后土體在88%和95%壓實度及土體加筋條件下，設(shè)計了4組土工離心模型試驗，研究了墻后土體壓實度和土中加筋等因素對衡重式路肩墻背土壓力的影響規(guī)律及墻后土體的變形特點。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備

試驗所使用離心機是西南交通大學的TLJ-2 型土工離心機，其最大容量為100 g·t，最大加速度200g，有效半徑約2.7 m，模型箱尺寸0.8 m×0.6 m×0.6 m。

1.2 模型設(shè)計

（1）衡重式擋墻原型結(jié)構(gòu)和模型尺寸衡重式擋墻模型是根據(jù)原型尺寸經(jīng)模型率n=40縮尺后由約2 mm厚鋼板經(jīng)焊接加工制成（即試驗時離心加速度為40g）。原型擋墻的墻后填土重度g≈19kN/m，綜合內(nèi)摩擦角j≈40°，r_dmax≈2.22 g/cm，w_op≈5.8%，土工格柵在填土中橫向滿鋪、垂向間距0.5 m，共鋪設(shè)有18層。

（2）模型填料土工離心模型試驗從理論上講，應(yīng)當將結(jié)構(gòu)物和填料同時按模型率進行縮尺和縮徑，而填料的過度縮徑會使其與原型填料在物理力學性質(zhì)上產(chǎn)生明顯差異，影響土工離心試驗的可重現(xiàn)性。因此，一般針對細顆粒填料，可直接選用原型填料作為模型填料，以保證模型填料在離心力場中與原型填料具有相同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。但對于粗顆粒填料，需考慮因模型縮尺與填料縮徑不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的粒徑效應(yīng)問題。

粒徑效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因是因結(jié)構(gòu)物縮尺后，作用其上的土顆粒數(shù)量有限，此時土顆粒的不均勻性就會對土工離心模型試驗的結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，結(jié)構(gòu)物尺寸與土顆粒的粒徑比應(yīng)當具有合理的界限，在保證土顆粒作用在縮尺結(jié)構(gòu)物上的均勻性或連續(xù)性條件下降低粒徑效應(yīng)對土工離心模型試驗結(jié)果的影響。在這一方面研究較多的是通過不同的基礎(chǔ)底板尺寸B_m與土顆粒平均粒徑D₅₀的比值（B_m/D₅₀）反映粒徑效應(yīng)對淺基礎(chǔ)承載力特性的影響。Fuglsang 等進行的土工離心模型試驗表明，B_m/D₅₀>35的粒徑效應(yīng)影響較小。徐光明等開展的土工離心模型試驗認為，B_m/D₅₀>30的同時，還需B_m/D_max>23。楊俊杰等完成的土工離心模型試驗要求B_m/D₅₀>233?？傻?i>D₅₀≈5 mm，D_max≈60 mm。而與模型填料直接接觸的模型土壓力簡支梁式測力板有效長度 B_m=67.5 mm，為保證土壓力測試的準確性，需滿足B_m/D_max=30的粒徑效應(yīng)限值，可得到模型填料允許的最大粒徑D_max=2.25 mm?；诖娣ǖ奶盍峡s徑處理原則，以原型填料的最大粒徑D_max與模型填料允許的最大粒徑D_max之比作為基準，將原型填料中5～60am的顆粒按比例進行縮小，在保持模型與原型填料粒土含量基本不變的情況下，兼顧模型與原型填料力學相似性，可得到模型填料的粒徑范圍，其級配

（3）加筋材料模擬

土工格柵由于厚度較小，彈性模量高，若按模型率將其尺寸縮小，有較大的實現(xiàn)難度。因此，土工離心模型試驗中，通常選用其它材料模擬土工格柵的加筋作用，如紗布、試紙、銅帶和塑料紗網(wǎng)等。土工格柵的模型材料一般遵循抗拉強度相似原則進行制備，即原型土工格柵每延米拉伸屈服力T_P與模型加筋材料的每延米拉伸屈服力T_m之比滿足模型率n 的要求原型土工格柵型號為TGSG20—20，拉伸屈服力20kN/m。土工離心模型試驗中，使用塑料紗網(wǎng)作為土工格柵的模型材料，其單層抗拉強度約1.73 kN/m，按抗拉強度相似原理可知，相當于原型土工格柵的單層抗拉強度為69.2 kN/m，近似等效為3 層拉伸屈服力為20 kN/m 的土工格柵效用。模型的上墻及下墻土層中各自均勻鋪設(shè)有4 層塑料紗網(wǎng)，垂向鋪設(shè)間距均30 mm，大致相當于原型每米厚度土層中鋪設(shè)有抗拉強度58 kN/m 的筋材，比原型每米厚度土層中設(shè)計的2 層土工格柵共40 kN/m 的抗拉強度提高了約45%的加筋材料強度。

（4）測點布設(shè)

沿模型擋墻背和衡重臺依次布設(shè)測力板，用于量測墻背以及衡重臺承受的土壓力，墻背測力板尺寸70 mm×20 mm，衡重臺測力板尺寸70 mm×25 mm；在模型填土表面布設(shè)沉降計，用于量測墻背填土表面沉降。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 衡重式墻背土壓力及其隨墻體位移的變化

對擋墻施加位移，得到墻頂位移與上、下墻墻背總土壓力的關(guān)系，隨墻頂位移的增大，上、下墻背土壓力不斷減小并趨于穩(wěn)定。其中M1、M2 上墻在墻頂位移分別約為0.5，1 mm 時基本達到主動土壓力狀態(tài)，先于下墻（分別約為4，2 mm）；M3、M4 上、下墻在墻頂位移約為3 mm 時基本同時達到主動土壓力狀態(tài)。

在墻背承受的總土壓力大小方面，壓實度95%及墻后土體加筋條件下的M1 模型，其上、下墻土壓力均小于未加筋的M2 模型；達到主動土壓力狀態(tài)時，M1 模型的上墻土壓力較M2 模型減小了約68%，下墻約減小43%。而壓實度僅為88%的加筋模型M3 和未加筋模型M4 中，無論上墻還是下墻土壓力由靜止狀態(tài)到主動狀態(tài)的整個過程中，其墻背承受的土壓力并無明顯差異。反映出墻后土體加筋對墻背土壓力的減小作用與土體壓實度密切相關(guān)，墻后土體的加筋減壓效應(yīng)只有在路基填土得到有效壓實的條件下才顯現(xiàn)出來。

2.2 衡重式墻背土壓力分布特征

試驗獲得的墻背土壓力分布，虛線和實線分別表示主動和靜止土壓力的分布狀況?？芍琈1 的上墻背土壓力呈兩段式折線形分布特征，而M2 的上墻背土壓力則呈線性分布規(guī)律。其中，距上墻頂（0～0.5）H_u范圍內(nèi)，兩者的土壓力及其分布差異并不大，但M1 在距上墻頂（0.5～1.0）H_u范圍的土壓力基本呈矩形分布，該現(xiàn)象反映出壓實度較高條件下的墻后土體加筋減壓效應(yīng)主要體對上墻背下半部分土壓力的影響方面。M3 和M4 上墻土壓力基本呈線性分布，兩者在數(shù)值上也基本一致，表明在墻后填土壓實不足情況下的土體加筋作用未能得到有效發(fā)揮。

衡重式擋墻的下墻土壓力分布具有十分相同的規(guī)律。靜止狀態(tài)的土壓力呈比較明顯的兩段式折線分布形態(tài)，距衡重臺下約H_d/3范圍存在顯著的減壓現(xiàn)象，這主要是由于衡重臺對上墻填土的托舉作用而致使下墻產(chǎn)生了卸荷作用所引起。而主動狀態(tài)的土壓力則呈現(xiàn)出三段式的非線性分布特征，其中，因衡重臺的托舉減壓效應(yīng)主要影響衡重臺下約H_d/3范圍的土壓力分布，距墻踵H_d/4 范圍的土壓力減小主要由土拱效應(yīng)所導(dǎo)致，只有距衡重臺（1/3～3/4）H_d范圍的土壓力可認為基本不受衡重臺和墻踵附近土拱效應(yīng)的影響。由此，可將衡重式擋墻的下墻主動土壓力分布劃分為衡重臺卸載作用影響區(qū)、土壓力作用影響區(qū)和土拱效應(yīng)影響區(qū)等3 個區(qū)域。

墻背土壓力分布曲線的面域質(zhì)心，可得到上、下墻及全墻背在主動狀態(tài)下的土壓力合力作用點位置。壓實度為88%的M3 和M4 上、下墻及全墻主動土壓力合力作用點分別位于距上、下墻及全墻墻頂約2/3 高度處；壓實度為95%的M2，其上、下墻主動土壓力合力作用點較M4 基本相同，而全墻主動土壓力合力作用點位置提升了約9%，反映出提高填土壓實度對全墻主動土壓力合力作用點有一定影響，M1 在M2 的基礎(chǔ)上對墻后填土加筋處理后，上、下墻及全墻主動土壓力合力作用點均提升了約7%。

2.3 衡重式墻后土體滑裂面形態(tài)

衡重式擋墻的土壓力計算方法有實際墻背法、延長墻背法、第二破裂面法等，其主要區(qū)別在于對墻后土體滑裂面出現(xiàn)位置假設(shè)的不同，因此，準確掌握衡重式擋墻墻后土體的滑裂面特征對完善土壓力計算具有重要作用。

通過試驗加載前在墻后填土剖面（模型箱有機玻璃側(cè)）刻記網(wǎng)格線，可觀察試驗完成后墻后土體的變形狀況，量測填土剖面網(wǎng)格節(jié)點位移。M1～M4 模型試驗照片。M1～M4 墻后土體中均存在兩組潛在滑裂面，其位置和形態(tài)基本相同。其中一組潛在滑裂面通過墻趾，在上墻部分幾乎為一豎直面，而在下墻部分為一曲面，該滑裂面與填土表面的交點均距墻頂約150 mm（或距墻踵水平投影約117.5 mm），與全墻高的比約0.5（或0.39）；另一組潛在滑裂面則出上墻后土體中，其形態(tài)大致為通過衡重臺后緣的斜面，與填土表面交點距墻頂約60 mm。這兩組破裂面組成的區(qū)域內(nèi)，土體主要發(fā)生沉降變形，形成主動區(qū)。通過衡重臺后緣的滑裂面與上墻背組成的區(qū)域內(nèi)，土體變形不明顯，主要是由于衡重臺對上部土體存在約束作用，致使該區(qū)域內(nèi)土體與擋墻一同發(fā)生位移，可視為墻體的一部分。從試驗結(jié)束后墻后土體中出現(xiàn)的裂縫可以反映出土體的加筋能夠明顯增強土體的整體性，抑制土體裂縫的開展，對于低壓實度的情況，抑制效果仍然明顯。

2.4 衡重式墻后填土表面沉降

（1）墻后填土表面沉降沿路基橫斷面分布

鑒于原型中舊路基建成年代久遠，變形早已完成，因此在模型中模擬舊路基填土時摻入了5%水泥粉，可視其基本不發(fā)生沉降，布設(shè)于舊路基處的沉降計測試數(shù)據(jù)也表明整個舊路基的沉降量很小。沿路基橫斷面基本呈三角形分布。對比M1 與M3、M4 發(fā)現(xiàn)，提高墻后填土的壓實度可有效改善路基面的不均勻沉降發(fā)展。而對比M3 和M4 的測試數(shù)據(jù)，則反映出即使在88%的較低壓實度下，墻后土體加筋對填土表面的減沉仍有效果。

（2）墻體側(cè)向位移引起的墻后填土表面沉降墻后填土表面沉降主要來源于兩個方面，一是在

重力作用下產(chǎn)生的填土壓密變形，二是由墻體側(cè)向位移所引起的填土形變沉降而墻體側(cè)向位移引起的填土表面沉降的理論值則基于以下假設(shè)獲得：①墻體側(cè)向位移面積與墻后填土表面沉降面積相等；②墻體側(cè)向位移過程中，墻后填土只有形變而無體變；③新舊路基交接面處的填土表面沉降為零；④墻體側(cè)向位移引起的墻后填土表面沉降沿橫斷面呈三角形分布。

3 結(jié)論

通過衡重式加筋土路肩擋墻的土工離心模型試驗分析，得出以下結(jié)論：

（1）墻后土體加筋對減小墻背承受的土壓力作用與土體壓實度密切相關(guān)，只有在路基填土得到有效壓實的條件下墻后土體的加筋減壓效應(yīng)才顯現(xiàn)出來。試驗表明，墻后填土壓實度僅有88%，墻背土壓力基本不受土體加筋的影響；但當壓實度增至95%，加筋作用可大幅降低上、下墻土壓力分別達68%和43%，并對上墻背土壓力的分布產(chǎn)生影響，由線性增大變?yōu)檎劬€型分布。

（2）衡重臺的存在，對其上覆土體存在托舉效應(yīng)，會導(dǎo)致衡重臺以下約1/3 下墻高范圍內(nèi)的土壓力減小，使得處于靜止狀態(tài)的下墻背土壓力呈現(xiàn)出比較明顯的兩段式折線分布形態(tài)；在主動狀態(tài)下，除因衡重臺的托舉減壓作用引起下墻背上部范圍土壓力的降低外，下墻踵附近的土壓力也會因土拱現(xiàn)象的存在而減小，致使下墻背土壓力進一步演變?yōu)槿问降姆蔷€性分布特征。

（3）墻后土體加筋對減小路肩式擋墻的填土壓密下沉，降低因墻體側(cè)向位移引起的填土形變沉降效果突出。尤其在填土壓實度較高的條件下進行土體加筋，對提高路基填土的抗變形能力，控制新舊路基間的不均勻變形效果更加顯著。

概述

土路肩這個名詞我們作為公路建設(shè)者應(yīng)該都不陌生，它是緊鄰硬路肩或者沒有硬路肩的車道的道路組成部分，起著保護路面下承層邊角穩(wěn)定性的作用，一般由較好的填充材料作為其組成部分，其寬度一般為0．75 m 或1．5 m，所以土路肩施工的好壞直接影響水穩(wěn)層邊緣的施工質(zhì)量通過十幾年的施工經(jīng)驗，全國各個地方的土路肩施工無論是高速公路、一級公路還是低等級公路不盡相同，并且好多施工單位都不太注重土路肩的施工，因此導(dǎo)致了路面施工后部分路肩因雨水沖刷而水土流失或者部分路肩因壓實度不夠?qū)е鲁料荩耘嗤谅芳缡┕し椒ǖ倪x擇對土路肩的質(zhì)量特別重要。例如有的施工方案就是采用擋板的方法，首先測量放線確定路肩的準確位置，根據(jù)所放的線進行掛線，在邊緣線處用鋼釬釘入路基上路床內(nèi)，邊上立上木擋板或是同等高度的槽鋼。擋板的高度由水穩(wěn)的設(shè)計高度乘以松鋪系數(shù)而定，支擋好后用較好的填充材料填平至擋板高度并且填的初步密實。該方法土路肩的壓實是靠水穩(wěn)層施工的時候重型壓實機械(壓路機采用220 型號) 同步壓實而完成的。還有的地方土路肩施工是先進行土路肩的施工，也就是說土路肩是先行完成施工后且達到規(guī)定壓實度后才進行水穩(wěn)層的施工的。

施工方法具體如下: 首先放線確定土路肩的位置，然后分層填筑土路肩至設(shè)計厚度，待壓實好后由施工單位自檢壓實度( 大于92% )，自檢合格后報監(jiān)理抽檢，抽檢合格后才可以進行水穩(wěn)層的施工，這種施工方法施工困難，就是土路肩壓實成型后，土路肩內(nèi)側(cè)的整齊性和土路肩表面的平整性比較難以控制，它不同于擋板施工的美觀性。前后兩種方法比較不難看出，前者比較容易施工，可以加快施工進度，1 d 單幅可以成型1 km ～2 km，后者施工比較慢，基本是施工速度為500 m ～1 km(勞動力相同的情況下) ，但后者能夠保證施工質(zhì)量。所以綜上所述，我們建議高速公路、一級公路采用第二種方法，并且要求大部分地區(qū)( 除因地質(zhì)情況外) 采用這種方法來施工。下面我們就高速公路、一級公路第二種方法的土路肩施工做一具體介紹，其他公路等級也可以參照施工。

1 施工準備

1) 前期準備。土路肩的鋪設(shè)必需在基層達到強度要求并且可以進行交通開放的條件下才可以進行施工。

2) 勞動力的數(shù)量以及技術(shù)交底的準備。勞動力根據(jù)施工進度進行勞動力的安排，并且對現(xiàn)場人員進行三級技術(shù)交底、安全交底等，保證施工過程中質(zhì)量控制和安全控制的有效進行。

3) 機械設(shè)備的準備。選用機械性能良好的壓路機( 220) 、裝載機( Z30) 、小型振動夯( DYL-030 雙缸振動壓路機) 、小平車等作為施工機具。在施工前對使用的機械進行養(yǎng)護、調(diào)試等，保證在施工過程中機械的完好性。機械設(shè)備的數(shù)量根據(jù)進度和勞動力的安排來確定。

4) 施工放線。在施工前對路肩邊緣采用全站儀( 索佳) 進行線形的定位，直線段每 10 m 一個點，曲線段每 5 m 一個點，以便保證線形的控制。路肩的虛鋪厚度由路肩設(shè)計厚度乘以松鋪系數(shù)來定，線形的檢測由施工單位自檢，監(jiān)理單位抽檢進行檢測。

5) 原材料的準備。土路肩原材料的選擇很重要，要選擇既容易施工又能保證壓實度的土質(zhì)作為填充料。一般選擇砂性粘土。

2施工過程

肩進行初步整理，厚度為松鋪厚度，寬度可以大于路肩的設(shè)計寬度10 cm ～ 15 cm( 這是針對高速公路、一級公路而言，其他等級公路可以根據(jù)施工經(jīng)驗而定) 以保證有效路肩的壓實度，整理完成后采用壓路機( 壓路機型號為 220) 進行穩(wěn)壓，保證土路肩的初步穩(wěn)定性。穩(wěn)壓完成后人工進行細部整理達到路肩表面平整。最后采用壓路機進行壓實，壓實遍數(shù)為 5 遍 ～ 6 遍，具體遍數(shù)通過試驗段來確定，壓路機碾壓不到的部位由人工采用小型夯實機具 ( 采用DYL-030 雙缸振動壓路機) 完成。壓實完成由人工掛線進行內(nèi)側(cè)邊緣的裁切和表面的整理，保證內(nèi)側(cè)的垂直和表面的橫坡度。施工結(jié)束后進行土路肩周圍多余土的清理和基層的清掃，保證基層的整潔性。

3 質(zhì)量檢驗及質(zhì)量標準

高速、一級公路土路肩施工應(yīng)符合下列規(guī)定:

1) 路肩必須表面平整密實、不積水。

2) 路肩邊緣直順、不積水。

以上是土路肩的一種施工方法以及質(zhì)量檢驗標準，在施工中由于設(shè)計以及各地施工的經(jīng)驗不同也可能有區(qū)別。但我們無論采用哪種方法都必須在以下幾點上加強注意:

1) 培土路肩的材料選擇。

土質(zhì)的選擇很重要，良好的土路肩材料對于保證路肩的壓實度，施工進度都起著很重要的作用，建議盡量采用砂性粘質(zhì)土( 也可以采用亞粘土，其塑性指數(shù)為 10 ～ 17) ，砂性土的砂粒( 2 mm ～0． 074 mm) 大于 70% ，粘粒( 0． 002 mm) 小于 3% ，塑性指數(shù) LP >2，液限 WL 在 16 ～ 28 之間，從指標我們可以看出砂性土砂粒的含量較大，我們也可以從中摻入一定比例( 具體比例通過實驗確定)的粘土來作為原材料，既容易施工也容易保證土路肩的施工質(zhì)量，針對不同地區(qū)氣候及地質(zhì)情況也可以采用特種材料，這需要視情況而定。例如在黑龍江部分地區(qū)由于地質(zhì)情況，當?shù)鼐蜎]有粘性土或砂土作為土路肩的施工材料來施工，因為當?shù)氐乇硪韵?． 5 m 以內(nèi)基本都是黑土，作為土路肩的施工材料很難施工，對于這種情況我們就選取別的材料來取代。

2) 培土路肩時的質(zhì)量控制。

土路肩的質(zhì)量包括兩方面的含義: a． 內(nèi)在的，也就是說壓實度; b． 外在的線形和尺寸，這兩點很重要。壓實度的好與壞直接在土路肩的施工過程中，我們要注意預(yù)留排水口，排水口采用臨時砂漿抹面或鋪塑料布的方法，排水槽采用塑料布或土袋作為臨時排水槽。如果土路肩施工的時候不設(shè)臨時排水口，很容易造成成型的或已驗收的路基大量聚水，導(dǎo)致后續(xù)施工的緩慢。更嚴重的會導(dǎo)致路基質(zhì)量的局部減弱，形成質(zhì)量隱患。

3) 土路肩的培選時間。

土路肩的培選在合理的時間內(nèi)，選在基層施工前幾天，其進度要保證施工前要有足夠的路肩段進行施工，因為土路肩施工過早容易受自然或人為因素等的破壞，造成不必要的二次整理，可以減少費用。正是由于我們在河南濮陽至范縣高速公路的施工中采用了第二種土路肩的施工方法，同時在施工中我們也注意了上述幾點的注意要點，所以我們在多次評比中因施工質(zhì)量過硬而得到好評，并且在 2011 年的兩場暴雨中正是因為土路肩施工質(zhì)量過硬減少了很多因雨水沖刷導(dǎo)致的邊坡滑塌和路基土流失，避免了其他標段因雨水沖刷導(dǎo)致的路基土流失的現(xiàn)象，為我們減少了很多不必要的損失。

以上所介紹的土路肩的施工方法主要用于高速公路、一級公路的施工( 其他等級公路也可以作為參考) ，它對于保證高等級公路的施工質(zhì)量起著很大的作用，既可以保證路肩的穩(wěn)定性，也可以防止公路因雨水沖刷導(dǎo)致邊坡滑坡、路基局部沉陷等公路通病。因此采用好的土路肩施工方法，加強土路肩的施工質(zhì)量十分重要，在施工中一定要高度重視。