加筋土技术在高速公路 拓宽工程中的应用技术

加筋土技术在高速公路拓宽工程中的应用技术

凌天清重庆交通大学

2007.11 昆明

主要内容

一、背 景一、背 景二、设计原理与探讨二、设计原理与探讨三、典型设计案例三、典型设计案例四、加筋材料四、加筋材料

1988年我国实现了高速公路零的突破后，至2006年底，我国已建成高速公路 4.53万公里，交通长期制约经济发展的状况得到缓解。总里程位居世界第二。

一、背 景

未来国家高速公路网规划，战略着眼点是连接和覆盖20万以上人口的所有城市；建立城际、省际、国际的高速公路网络通道；形成比较完善的、区域经济比较发达地区的城际快速运输网络；贯彻落实“五个统筹”，在东北老工业基地发展运输网络；立足于国家战略和区域全球化，加强与东盟、西亚国家的交通编织。最终由 7 条首都放射线、 9 条南北纵向线和 18条东西横向线组成，简称为“ 7918网”，总规模约 8.5万 km。其中主线 6.8万 km，地区线等其他路线约 1.7万 km。大约在 2035年前后完成国家高速公路网的全面建设。

一、背 景

一、背 景 在未来若干年我国经济保持年均增长 8%的条件

下，高速公路年均竣工里程需求在 4000公里左右， 2010年总需求在 6 万公里左右。预计 2007～2010年间，全行业需投资 0.5万亿～ 0.6万亿元，平均每年投资规模在 1400亿～ 1600亿元左右， 2010～ 2020年之间，年均投资大约 1000亿元人民币。

同时，近年来随着社会经济的快速发展 , 高速公路的交通流量随之增长迅猛 , 我国先期建成的四车道高速公路已陆续进入拓宽改造阶段。在拓宽过程中如何保持高速公路正常运营已成为关键性问题。如：沈大、京津塘、沪杭甬、沪宁、泉厦、广佛等高速公路

一、背 景

目前高速公路拓宽工程特点： 征地难题； 路基填土较高； 软土性质差；加筋土结构（挡墙、路堤）的特点： 对地基承载能力的要求相对较低； 加筋土挡墙工程占地较少； 技术简单，施工方便； 施工速度快，工期短； 造价低廉，效益明显。

一、背 景

一、背 景

加筋土挡墙结构示意图

加筋土挡墙与传统挡墙的区别

路基结合部的应用

路堤边坡上的应用

软土路基上

一、背 景

一、背 景 从加筋挡土墙这些特点，并对照高速公路拓宽工程的具体问题来看，综合加筋土在拓宽路基中的各种使用方式，提出在高速公路“零征地的加筋土挡墙拓宽”方案。

二、设计原理与探讨

dbfTT *12 2

*12 2 bfd

TT

1.基本原理

二、设计原理与探讨 2 ．基本资料 为进行加筋陡坡的设计，首先应具备以下资料： 1 ）设计要求：包括坡高 H 、坡角β ，如图。外荷载为坡顶超载、临时活荷载和地震荷载等。 2 ）地基土特性：土层剖面 ( 其所达深度最少为坡高的 2 倍 ) 、土的重度、强度指标、固结指标和地下水位等。如果曾发生过滑坡事故，应查明滑坡原因及位置。 3 ）填料特性：颗粒粒径分布、塑性指标、击实指标、强度指标、土内所含化学成分等。

二、设计原理与探讨

4 ）要求的安全系数 (1) 外部稳定和沉降 ① 抗平面滑移： FS≥1.5 ； ② 抗深层 ( 整体 ) 滑动：

FS≥1.3 ； ③ 动力分析： FS≥1.1 ，或按规

范有关规定； ④ 许可沉降量：按工程要求规定

二、设计原理与探讨(2) 内部稳定 ① 土坡稳定： FS≥1.3 ； ② 筋材容许抗拉强度： 式中： FS— 安全系数（包含土工合成材料筋材铺设时的机械

损伤，以及使用过程中的材料蠕变、化学剂破坏和生物破坏等在内的各种因素引起筋材强度降低的综合强度折减系数），应符合国标《土工合成材料应用技术规范》 (GB50290-98) 的规定。

③ 抗拔验算： FS=1.5( 无粘性土，筋材最短 1m) FS =2.0( 粘性土 ) 。

s

ua FTT

二、设计原理与探讨3 ．设计方法与步骤1 ）土坡稳定分析 采用传统的土坡稳

定分析方法进行分析，找出其最危险滑动圆弧与圆心以及相应的稳定安全系数。安全系数低于规定值部分，用加筋来补足。

二、设计原理与探讨2 ）加筋土坡稳定分析 ① 为了使陡坡的

稳定安全系数达到要求的数值，在土坡内水平铺设几层筋材，一般其垂直间距为1~2m 。然后按瑞典条分法核算其安全系数 (FS) ，如图。

n

iii

n

i

m

iiaiiii

s

RW

yTRlcW

F

1

1 1

)sin(

)tancos(

二、设计原理与探讨

要求按上式算得的安全系≥ 1.3 。如不满足，应调整筋材和布置间距。

n

iii

n

i

m

iiaiiii

s

RW

yTRlcW

F

1

1 1

)sin(

)tancos(

二、设计原理与探讨 ②如果填土是细粒粘性土，当其含水率接近饱和时，分析中常

采用不排水抗剪强度，它不随作用于剪切面上的法向应力而变化，此时分析不再需要分条，而直接采用总强度指标。安全系数表达式变为 ( 如图）：

xW

yTRLCF

m

iiaiu

rs

1)(

二、设计原理与探讨3 ）筋材长度 筋材长度确定的依据是保证每层筋材延伸出滑动弧以

外的长度，可提供充分的握裹力，防止筋材被拔出。

agv

sap

FTL

tan2

式中： aT ——筋材的容许抗拉强度；

sF ——要求的安全系数；

v ——作用在某层筋材上土的覆盖压力；

ag ——土与筋材间的摩擦角，由拉拔试验测得。

二、设计原理与探讨 对于接近饱和的软粘土，筋材与土之间的摩阻力不随界

面处的法向应力而变化，而是靠二者间的粘着力提供握裹力，则筋材的被动段长度

u

sap C

FTL

2

筋材总长度

pa LLL

式中： aL ——主动段长，即在滑弧以内的长度。

二、设计原理与探讨 如果要防止坡面冲刷则须将坡面做成反包式，可按图所示方法进行，即将土工合成材料在坡面处反包回，此时压在上一层下面的长度最短为 2 m ；若为陡坡，可能需要模板支撑坡面。如果筋材为土工格栅，为防包裹坡面处漏土，可能同时要内衬细孔网材或土工织物，通常也在该处内衬织物袋装土。

如果加筋层间距不大于 40cm 时，对于坡角在以下的边坡，可不采用反包式结构，而将筋材简单延伸到坡面即可。有时也采取超填，然后挖除超填部分进行修坡。

4 ．施工注意事项

二、设计原理与探讨 5.植物加筋技术在加筋土边坡中的应用 在应用加筋土技术加固路基边坡时，可以选择强度高

的筋材作为主要加筋，选用强度较差的筋材作为次筋，长度一般为 l～ 2m ，垂直间距为 0.2～ 0.8m 。在当今人们环保意识日益增强的情况下，人们开始利用易于成活的低矮灌木取代强度较低的土工格网等次筋材料，甚至直接用作主筋。目前在国外已经取得了一些成功的经验。例如，在南加利福尼亚州的一条公路上采用等高的灌木枝条加固路堤陡坡，在北卡罗利亚州、马萨诸塞州等地也均有成功的经验。处理的边坡还有路堑边坡、裸露的带裂隙水的岩面等等。

二、设计原理与探讨 必须注意加筋植物的收割、绑扎、储存和栽植。各地的植物移植应在各自适宜的季节进行，并最好选用当地易于成活的品种。根茎约为 70～80mm 的柳树、山茱萸、桤木、白杨等均可用作加筋植物。在收割以后最好马上就在已压实的路基土上进行交叉铺设。填土应撒铺在枝条之间，保证根茎枝条与土接触紧密。

由于植被枝条根茎能提供显著的粘聚力，因而对缺乏粘聚力的砂性土边坡特别有效。室内试验指出，在每立方米土壤中每增加 lkg根茎，其抗剪强度增长 3.2～ 3.7kPa 。

二、设计原理与探讨5.离心模型试验研究 拓宽路基的特点是新老路基如何结合、变形如何协调，这

些都将影响其破坏规律。因此开展相关研究是非常必要而及时的。

路基结合部的应用

路堤边坡上的应用

软土路基上

二、设计原理与探讨

离心机 控制室

5.离心模型试验研究

二、设计原理与探讨

模型编号 相似比 加筋情况或间距

模拟实际路堤高度

拓宽路堤压实度

老路堤压实度

加宽路堤含水量

稳定运行时间

模型 1 20 50cm 5m 70 80 11.5 30min

模型 2 40 100cm 10m 70 80 11.5 30min

模型 3 20 无 5m 70 80 19.5 30min

模型 4 20 100cm 5m 70 80 19.5 30min

模型 5 20 50cm 5m 70 80 19.5 30min

5.离心模型试验研究

模拟横断面图

离心模型

(a) 击实 (b) 填筑完成 (c) 削坡成型

(a) 击实 (b) 填筑完成 (c) 削坡成型模型中拓宽路基的填筑过程

模型中老路基的填筑过程

离心模型试验结果（ 1 ）广佛高速公路工程设计方案试验结果分析

模型 1 运行前情况：加筋间距 50cm 模型 1 运行后情况

二、设计原理与探讨

离心模型试验结果

该模型在离心机中以 20g 的加速度稳定运行 30min后，没有发现任何明显的开裂破坏，模型侧面的网格线没有扭曲变形，各坐标

点的位移也没有发生改变。 将模型 1 （加筋间距 50cm ）再次装入离心机中，并把离心加速度

提高到 40g ，相当于原型路堤高度提高到 10m ，加筋间距增加到1m ，在稳定运行 30min后，没有发现任何明显的开裂破坏，模型侧面的网格线没有扭曲变形，各坐标点的位移也没有发生改变。

从以上试验结果可以证明，该设计方案具有足够的安全可靠度，可以应用于工程的建设。

二、设计原理与探讨

模型 3 和模型 4 在离心机中以 20g 的加速度稳定运行 30min后情况

模型 3 （未加筋）试验后情况 模型 4 （等效为 1m间距加筋）试验后情况

离心模型试验结果

二、设计原理与探讨

将模型 3 和模型 4 分别再次置于离心机中运行，并将加速度增加为60g ，运行 30min后情况

模型 3 （未加筋） 二次加载 60g 后的破坏情况 模型 4 （间距 1m ） 二次加载后的破坏情况

离心模型试验结果

二、设计原理与探讨

00. 511. 522. 533. 544. 55

0510152025303540455055mm路堤边坡侧向位移（ ）

m路堤高度（）

不加筋路堤加筋路堤

- 120

- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

00 1 2 3 4 5 6

m距路堤边沿距离（ ）

mm路堤顶面竖向位移（

）不加筋路堤加筋路堤

离心模型试验结果

二、设计原理与探讨

离心模型试验结论

1 、利用土工离心模型试验，对佛开高速公路拓宽工程中的加筋路堤方案进行验证性试验，实验结果证实该方案具有足够的安全可靠度。

2 、利用土工离心模型试验，对路基拓宽加筋路堤变形规律进行研究，通过对不同模型方案结果的分析，得出各种因素对路堤变形规律的影响：

(1) 路基拓宽加筋陡路堤主要位移变形区域发生在新路堤边沿部分。

(2) 土工格栅加筋路堤边坡相对于不加筋边坡可以大大提高边坡的稳定性。

二、设计原理与探讨

二、设计原理与探讨 (3)直到边坡发生破坏时，各种工况下土工格栅的应变值都很小，土工格栅的抗拉能力没有得到充分发挥。因此，在适当的条件下，预应变加筋法也适用于土工格栅加筋土的施工，这有待于工程实践的检验。

(4) 试验结果表明：新路堤边坡达到 1 ： 0.5 ，如不采用反包式格栅加筋路堤，新路堤位移变形很大，不能满足工程使用要求。加筋后路堤的整体稳定性得到大幅度提高，位移变形也很小，可以满足使用要求。

(5) 加筋边坡与素土边坡的滑动面形状不同，素土边坡滑动呈较光滑曲面，加筋边坡滑动面呈折线形。加筋边坡滑动面的位置比不加筋边坡的滑动面更靠近堤底中心并向地基的深部发展，而且随着土工格栅抗拉强度的增大或加筋层数的增多，这一趋势更加明显。

二、设计原理与探讨 6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析

分析因素 :

不同加筋层数 不同筋材模量 不同土体模量

0

50

100

150

200

250

0 3 6 9 12 15

/ mm剪切位移

/kPa

剪应力 不加筋

1加 层筋2加 层筋3加 层筋

图 5-4 不同加筋层数时土体的应力 -应变关系

0

50

100

150

200

250

0 3 6 9 12 15

/ mm剪切位移

/kPa

剪应力

不加筋2000MPa500MPa200MPa

图 5-5 不同筋材模量时土体的应力 -应变关系

0

50100

150

200250

300

0 3 6 9 12 15

/ mm剪切位移

/kPa

剪切应力

5MPa10MPa15MPa20MPa

图 5-6 不同土体模量时土体的应力 -应变关系

二、设计原理与探讨6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析 1) 典型加筋土的应力 -应变特征及影响因素分析

加筋使土体的应力 -应变关系得到改善，土体的延性得到提高，土体的峰值剪切强度增大，残余强度的降幅减小，且达到峰值强度的剪切位移增大。

筋材拉伸模量过低时，加筋对土体的应力 -应变关系影响不大，加筋土的性质与素土接近，随着筋材拉伸模量的增大和加筋层数增大，土体的应力 -应变规律较素土有较大的改变，峰值强度出现在相对较大应变处，残余强度降幅也较小。

土体模量低时，加筋土体没有明显的峰值强度；土体模量较高时，加筋土体表现为应变软化特征，加筋土体峰值强度提高。

6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析 1) 典型加筋土的应力 -应变特征及影响因素分析

二、设计原理与探讨

6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析2)不同因素对拓宽路堤加筋效果的数值分析

加筋层数对路堤稳定性的影响筋材模量对路堤稳定性的影响填料性质对路堤稳定性的影响

二、设计原理与探讨

表 5-3 加筋层数对路堤安全系数的影响

加筋层数0 2 3 4 6 10

安全系数 1.55 1.71 1.82 1.98 2.21 2.22

由表 5-3 可以看出，随着加筋层数的增加，路堤的安全系数增大，但当层数达到一定时，继续增加层数，加筋对提高路堤的稳定性效果不再显著。

表 5-4 筋材模量对路堤安全系数的影响

筋材模量（MPa） 1000 2000 3000 4000 5000

安全系数 2.07 2.21 2.33 2.41 2.48

由表 5-4 中可以看出，随着筋材模量的增加，路堤的安全系数增加明显，所以在选用加筋材料时，应选用刚度较大的筋材。

6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析

2)不同因素对拓宽路堤加筋效果的数值分析

二、设计原理与探讨

表 5-5 填料内摩擦角对路堤安全系数的影响

内摩擦角（ ° ） 15 20 25 30 35

安全系数 1.79 1.91 2.07 2.21 2.41

从表中可以看出，当填料的内摩擦角变化时，路堤的安全系数变化非常显著，增大填料的内摩擦角，加筋土路堤的安全系数显著提高。

表 5-6 地基模量对路堤安全系数的影响

地基模量（ MPa ） 2 3 4 5 6

不加筋安全系数 1.25 1.35 1.43 1.51 1.55

加筋安全系数 2.07 2.12 2.16 2.2 2.21

从表中可以看出，不加筋时，当地基土的模量由小到大时，路堤的安全系数越大，说明地基越好，加筋后的稳定性越好。再比较加筋后路堤的安全系数，可以看出各种地基土加筋后模量相差不大，说明对于低模量的地基土路堤，加筋效果更显著。

6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析

2)不同因素对拓宽路堤加筋效果的数值分析

二、设计原理与探讨

计算方案

编号加筋情况或间距

老路堤开挖坡度

新路堤坡度

路堤高度台阶尺寸( 高 /宽 )

格栅强度

J-1 无 1:1.5 1:0.5 5 1.0/1.5 80kn/m

J-2 50cm 1:1.5 1:0.5 5 1.0/1.5 80kn/m

J-3 100cm 1:1.5 1:0.5 5 1.0/1.5 80kn/m

J-4 无 1:1 1:0.5 5 1.0/1.0 80kn/m

J-5 50cm 1:1 1:0.5 5 1.0/1.0 80kn/m

J-6 100cm 1:1 1:0.5 5 1.0/1.0 80kn/m

J-7 100cm 1:1.5 1:0.5 5 1.0/1.520kn/m～

120kn/m

6 、加筋土路基变坡工程的数值模拟分析 3 ）广东加筋土拓宽路堤性质的数值分析

二、设计原理与探讨

二、设计原理与探讨

（ 1 ）加筋效果分析

-18-16-14-12-10-8-6-4-20

0 2 4 6 8 10m距路基边缘距离（ ）

mm沉降值（）

加筋路基无加筋路堤

00. 511. 522. 533. 544. 55

-10 -8 -6 -4 -2 0

mm侧向位移值（ ）

m路堤高度（）

加筋路堤无加筋路堤

-4-3. 5

-3-2. 5-2

-1. 5-1

-0. 50

-5 -4 -3 -2 -1 0mm坡脚侧向位移值（ ）

m深度（）

未加筋路堤加筋路堤

二、设计原理与探讨

从图中可以看出，路堤加筋后潜在的滑动面向路堤中部移动，相比不加筋路堤更靠近填挖交界处，潜在滑动面变大。计算结果显示，加筋后路堤的稳定系数 FS为 1.9455，相比不加筋路堤的 1.6994提高了 14.48%，因此，新路堤加入格栅后能够比较显著的提高路堤的安全稳定性。

二、设计原理与探讨

（ 2 ）加筋间距对拓宽路堤的影响分析

-18-16-14-12-10-8-6-4-20

0 2 4 6 8 10m路堤边缘距离（ ）

mm路堤顶部沉降（

）

0. 5m加筋间距1m加筋间距

0. 00. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 54. 04. 55. 0

-10. 00 -8. 00 -6. 00 -4. 00 -2. 00 0. 00

mm侧向位移值（ ）

m路堤高度（）

0. 5m加筋间距1m加筋间距

-4. 00-3. 50

-3. 00-2. 50-2. 00

-1. 50-1. 00

-0. 500. 00

-5. 00 -4. 00 -3. 00 -2. 00 -1. 00 0. 00mm侧向位移值（ ）

mm地基深度（

）

1m间距 路堤0. 5m间距 路堤

模型编号 J-2 J-3

稳定系数 1.9455 1.9778

（ 3 ）旧路堤开挖坡度对拓宽路堤的影响分析

老路堤开挖坡度 1 ： 1 老路堤开挖坡度 1:1.5

无加筋 1.7199 1.6994

格栅间距 1.0m 1.9525 1.9445

格栅间距 0.5m 1.9817 1.9778

从表中可以看出，在任何一种加筋方式下，老路堤开挖坡度为 1： 1 的路堤稳定系数都高于开挖坡度为 1 ： 1.5 的路堤，在无加筋的情况下，稳定系数提高幅度为 1.2% ；加筋间距 1m 时，稳定系数提高幅度为 0.4% ；加筋间距 1m 时，稳定系数提高幅度为 0.2% ，虽然有所提高，但提高幅度不大，说明旧路堤开挖坡度增加后，并不能很好的提高整个路堤的稳定性，建议在设计中尽量选择较缓的开挖坡度，不仅可以节约工程造价，还有利于改扩建过程中老路堤的安全运营。

二、设计原理与探讨

（ 4 ）格栅强度对拓宽路堤的影响分析

1. 871. 881. 891. 9

1. 911. 921. 931. 941. 951. 96

0 20 40 60 80 100 120 140KN/ m格栅强度（ ）

稳定系数

格栅强度 20 kn/m 40 kn/m 60 kn/m 80 kn/m100 kn/m

120 kn/m

稳定系数 1.8801 1.8907 1.9195 1.9455 1.9498 1.9515

从计算结果可以看出，随着格栅强度的增加，路堤的稳定系数也相应增加，但稳定系数不是呈线性增加的，当格栅强度从 20增加到 40 时，稳定系数变化不大，当稳定系数从 40增加到 80 时，稳定系数增幅较大，格栅强度超过 80后，路堤的稳定系数基本没有增加，从这一规律可以认为加筋路堤的格栅强度并不是越高越好，在设计过程中需要计算所需格栅的强度，选择合理的格栅参数。

二、设计原理与探讨

模型箱试验

破坏情况比较

加筋效果明显好于不加筋的效果，加筋能够使滑动破坏面出现的晚，承载力也相应的提高了很多。

二、设计原理与探讨

7.现行公路加筋土工程设计规范的误区 直立加筋土挡墙，在国外普遍采用钢带作拉筋材料，而

国外则普遍采用塑料土工加筋带，因此造成面板与筋带的连接形式与受力方式的不一致，而国外却完全照搬国外规范。其后果是按此规范设计的加筋土工程经常出现病害（如：连接处筋带断裂、鼓胀变形）。

二、设计原理与探讨

凌天清、曾德荣编著：《公路支挡结构》，人民交通出版社

三、典型设计案例

云南楚大高速公路加筋土高墙 1998年由凌天清教授指导修筑 墙高达 43.75m

三、典型设计案例

四川绵广高速公路加筋土高墙 2002年由凌天清教授指导修筑 解决了成都平原软土地区上加筋土挡墙的高填方涵洞问题

三、典型设计案例

广佛高速公路路基拓宽工程加筋土边坡

三、典型设计案例

三、设计案例

重庆市黄沙溪加筋堤岸与加筋土挡墙应用实例

三、典型设计案例

加筋带通常采用钢带、钢塑复合土工带、聚丙烯土工带、钢筋混凝土带等。

1.钢带

四、加筋材料

2.钢筋混凝土带

四、加筋材料

3. 土工合成材料

各种土工合成材料各种土工合成材料

四、加筋材料

四、加筋材料

土工合成材料应用范围• 加筋、防护与绿化隔离• 防渗、反滤、排水

四、加筋材料

软基处理前后对比

•防护与绿化

凌天清

教授（博士、博导）

电话： 023－ 62652625、 13908357370

E－mail:lingtq@163.com

地址：重庆市南岸区学府大道 66号（ 400074 ）

谢 谢