自嵌式砌块景观挡土结构的原理与应用

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1．概述在土木、水利工程建设中经常使用挡土结构，其中重力式挡土墙使用最为广泛。按照建筑材料分类，重力式挡土墙使用最多的是干砌或浆砌块石，也有现浇混凝土结构。干砌或浆砌块石挡土墙由于是散体结构，抗剪和抗弯刚度低，因此，通常体积大，对地基承载力和变形要求高，因此在土基上不能设计成高度大的挡土结构。近年来，由于环保要求不断提高，开山挖石受到越来越严格的控制，使干砌或浆砌块石挡土墙造价不断增加。本文介绍一种刚开始使用的以预制混凝土块为建筑材料的新型挡土结构，我们将其命名为自嵌式砌块景观挡土结构。该结构与传统的干砌或浆砌块石重力式挡土墙、浇混凝土挡土墙等结构相比具有如下优点：(1)挡土结构本身重量轻。通过在预制混凝土块中留孔等方法，使块体的表观重度控制在18-20kN/m3，比岩石和现浇混凝土的重度低。(2)块体间具有相互咬合连接。预制块间通过台阶、榫接等方式相互咬合，具有锁定作用，增加了接触面的剪切强度，从而提高了承担土压力的能力。(3)砌块与墙后填土形成整体。通过墙体和墙后填土中分层铺设土工格栅，使砌块与墙后填土形成整体结构，改善了挡土结构受力特性。(4)砌块外观劈裂面为粗糙的花岗岩景观形态，色调可以根据工程整体自然环境效果调配，具有几十种颜色供设计人员选择。颜色为自然岩石粉调和而成，具有抗风化能力强，在设计寿命期限内不腿色的特点。(5)施工速度快，质量控制和检测系统完善。2挡土结构的形态自嵌式挡土结构的单块形状和建成后的挡土结构外观形态如图1所示。3自嵌式挡土结构设计与施工3.1自嵌式挡土结构设计原则自嵌式挡土结构设计目前国内没有合适的规范遵循，其中安全系数可以遵守重力式挡土结构规范的规定。挡土结构计算包括如下几个方面的内容：（1）地基承载力校验自嵌式挡土结构能够在承载力较低的地基上施工，由于整个结构具有较好的对地基变形的适应能力，使得该结构形式的挡土结构在地基出现较大不均匀沉降时仍能保持稳定。图2所示的挡土结构剖面是自嵌式挡土结构的典型形态，墙面倾斜角可以在10.60到180的范围内调整。因为砌块的表观重度为19～20kN/m3，基本与填土的重度一致，因此没有必要单独校核墙基的承载力，只需要将挡土结构与墙后填土一起考虑。按照地基设计规范，挡土高度应该限制地基容许承载力范围内。（2）整体抗滑稳定性校验对于图2所示挡土结构形态，由于填土中的土工格栅抗拉作用，地基发生滑动变形时，填土内不会出现拉裂缝，填土的抗剪能力能够充分发挥。整体抗滑稳定性校验可以按照加筋土坡抗滑稳定计算的“荷兰法”进行计算。整体抗滑稳定安全系数计算公式如下：（1）式中：、－第土条在滑面位置的土体抗剪强度指标；－第土条单位长度的重量；－第土条滑面中点的切线与水平线的夹角；－穿过第土条滑面位置的土工格栅的拉力，一般可取；－土工格栅的抗拉强度。按照挡土结构设计规范要求：。（3）挡土结构整体抗剪破坏校核挡土结构在土压力作用下，是否会在挡土墙底面位置发生剪切破坏需要校核。由于土工格栅的加筋作用，使挡土结构与土工格栅的加筋区形成一个整体，只有挡土结构与土工格栅的加筋区同时发生剪切破坏时才可能使挡土结构发生整体剪切破坏，只要土工格栅的间距不是过大，一般这种情况不会发生。（4）土工格栅间距的设计自嵌式挡土结构中，土工格栅对结构稳定起关键作用，首先由土工格栅把挡土砌体与墙后填土连成整体，约束填土变形，增加了填土的强度；其次挡土砌体的土压力通过土工格栅传递给填土，从而保持砌体结构稳定。在产品设计手册中，有专门的程序对土工格栅间距进行设计和校验。3.2自嵌式挡土结构的施工自嵌式挡土结构块体为工厂生产，块体强度和外观尺寸均匀性高，现场施工工人只要经过一天左右培训即可胜任具体施工工作。为了保证工程质量，现场工程师必须掌握工程质量控制体系，主要包括如下几方面工作。（1）材料的质量检验挡土结构块体的生产单位应该根据挡土结构设计要求，选用强度、外观尺寸和颜色合适的产品，出厂时提供每批次产品的质量检测报告和质量要求。当挡土结构块体到达工程现场后，必须抽查各批次产品的质量，确认强度、外观尺寸和颜色等是否达到设计要求并与生产单位提供的数据一致。土工格栅的生产单位应该根据设计要求，选用强度、外观尺寸和材料合适的产品，出厂时提供每批次产品的质量检测报告。当土工格栅到达工程现场后，必须抽查各批次产品的质量，确认强度、外观尺寸和材料是设计指定产品并达到了质量要求。（2）挡土结构的施工工艺挡土结构的施工工艺主要包括以下几个方面的内容：挡土结构的基础：挡土结构的基础包括直接与挡土块接触部分和墙后填土中有土工格栅的范围。对于直接与挡土块接触部分，需要其具有较高承载力和较小变形，以保证挡土结构的稳定和外观平顺。通常该部分采用灰土回填地基、碎石回填地基甚至素混凝土地基，厚度200mm到300mm。墙后填土中有土工格栅的范围一般仅需要在地基土含水率不高于最优含水率+4%的条件下碾压到压实度高于80%即可。挡土结构砌筑和墙后填土：挡土结构块体砌筑主要注意按照设计坐标放线；第一层切除块体后沿，以上各层保持层间密合而没有土粒和石粒充填；土工格栅平顺铺设在挡土块的全部范围并绷紧后平铺在填土中，长度满足设计要求。墙后填土必须分层碾压，碾压质量满足挡土结构规范或设计要求，分层检测填土密实度。4主要结论4.1自嵌式砌块景观挡土结构外观漂亮，与环境协调性好；4.2自嵌式砌块景观挡土结构的安全系数可以参照干砌和浆砌块石挡土结构规范；4.3自嵌式砌块景观挡土结构将砌体与填土通过土工格栅连成整体，增加了结构稳定性；4.4自嵌式砌块景观挡土结构设计主要考虑地基承载力、整体抗滑稳定性、挡土结构整体抗剪破坏、砌块结构的稳定性等四个方面的问题。