1 引言

目前中國在加筋邊坡設計時所使用的規范主要為《水利水電土工合成材料應用技術規范》[1]（后文簡稱為《水利規范》）和《公路土工合成材料應用技術規范》（JTJ/T019-98）[2]，后者主要用于道路中的土工合成材料設計。在歐洲，來源于德國DIN標準的加筋結構設計方法（即DIBt方法）已經得到了廣泛的應用，由于其方法簡單，方案經濟，在其他地方也開始流行[3]。

2.原理對比

2.1中國規范設計方法

國內《水利規范》的主要設計思路如下：

（1）通過圓弧滑動法找出邊坡中小于規范規定安全系數的所有圓弧的包絡線，該包絡線和坡面以及坡頂所圍成的區域成為主動區（或臨界區）；

（2）根據該主動區所需要的加筋力和筋材強度綜合確定筋材的間距和錨固長度，最終根據主動區范圍和錨固長度確定初步加筋方案；

（3）在該初步加筋方案的基礎上，進行外部穩定性計算，一般情況下包括：抗水平滑動驗算、地基承載力驗算以及抗深層滑動驗算。

圖1 初步加筋方案

2.2德國DIBt方法

DIBt法亦稱為雙楔體法，它也是以極限平衡法為基礎的[4]。該方法的特點是：考慮加筋土部分的楔體（楔體1）和加筋土擋墻后的楔體（楔體2）兩者的穩定性（圖2）。

（1）在外部穩定性驗算中，該方法將加筋部分的土體視為剛性體，驗算抗水平滑動穩定性和地基承載力，用限定合力偏心距的大小來代替抗傾覆驗算[3]。

（2）在內部穩定性驗算中，主要選取以下三種滑面進行驗算：沿筋材和土的交界面、沿楔體1中最陡未加筋滑面以及滑面起點在坡面不同高度處穿過筋材的滑面。三種滑面的示意圖如圖3所示。

   圖2 DIBt法的兩個楔體               圖3 DIBt法內部穩定性計算簡圖

2.3 兩種方法的不同點

兩種方法主要有以下幾個方面的區別：

（1）內部穩定性；《水電規范》中為了保證加筋體的內部穩定性，規定了筋材間距最大不得超過0.6m[1]，而在德國DIBt方法中沒有具體限定筋材，通過三種滑面的驗算來保證加筋體的內部穩定性；

（2）抗滑楔體的選??；中國規范將底層筋材正上方的土體視作抗滑楔體，而德國DIBt方法將整個加筋體都看做抗滑楔體；

（3）國內《水利規范》加筋擋墻和加筋陡坡的設計根據墻面（坡面）的傾角大小加以區別，而德國DIBt方法將二者統一。前者的邊坡加筋設計中沒有對加筋體抗傾覆的驗算步驟。

3.工程概況

工程建設挖填方較大，建成后會形成高挖方和高填方邊坡，其中最大填方坡高約27.5m，邊坡總長約1281m。針對工程本身的特點，最終采用土工格柵加筋的方式進行填方邊坡設計。

工程中選取的典型邊坡斷面之一如圖4所示。在計算模型中，地基土和填土為兩種不同的土層，分布情況見圖4，都采用Mohr-Coulomb強度準則，土體參數如表2，選用的土工格柵參數（包括土工格柵與填土的接觸面強度參數）見表3，其中筋材的抗拉強度為按照《水利規范》3.2.5條規定折減之后的數值。土層參數和土工格柵參數都與該工程設計中實際使用值相同，此外，模型中邊坡中無地下水作用。

圖4 計算模型示意圖（單位：m）

表1-地基土、邊坡填土和軟弱層土的材料模型和參數

表2-土工格柵材料參數

4.設計結果及對比分析

4.1使用國內規范進行設計

根據《水電規范》的規定，最終加筋方案如圖6（a）所示，稱為方案A，設計過程如表3所示。設計中筋材間距設為0.5m，加筋力按二區分配。

表3 按照《水利規范》的設計方案A

該加筋方案每延米邊坡使用的筋材面積為488m²。

4.2 德國DIBt方法驗算方案A

將表3中設計結果利用德國DIBt方法[3]（雙楔體法）中的規定進行驗算，驗算結果如表4所示。

表4 方案A按DIBt方法驗算結果

*注：表4中抗水平滑動驗算的對象為表1中第5步設計方案，其他驗算的對象都為表1中第7步設計方案。

4.3 驗算結果分析

（1）抗水平滑動驗算。針對表1中的第5步設計方案，《水利規范》所得到的抗水平滑動安全系數為1.3，而DIBt方法得到的安全系數為4.70，二者差別的主要原因在于抗滑力和墻后土壓力的計算。

中國規范的計算方法中，僅將底層筋材正上方土體用于計算抗滑力[3]；而DIBt方法將整個加筋土體（如圖2中楔體1）的重力都用于計算抗滑力。即國內《水利規范》中起抗滑作用的“楔體”范圍小于DIBt方法中所選取的楔體。

另一方面，在主動土壓力的計算中，國內規范[1]中使用的土壓力系數大于DIBt方法中所采用的庫倫土壓力系數。所以針對同一加筋方案，后者得到的抗水平滑動安全系數明顯大于前者。

（2）墻底合力位置。在使用DIBt法對墻底合力位置的校核中，兩種工況下合力位置都不在墻底寬度的（底層筋材長度L）1/3范圍內，而且是偏向墻背的方向，造成這個結果的原因也是由于起抗滑作用的楔體選取不同。

由于墻底合理的偏心距為偏向墻背方向，此時墻背所受到的土壓力將會由主動土壓力逐漸轉變為被動土壓力，從而會改變楔體1和墻后楔體2的受力情況。

相對于加筋擋墻，加筋邊坡由于坡面坡度較小，加筋體合力偏心距都會比較大而且偏向墻背方向，所以筆者認為在加筋邊坡的設計中該驗算步驟是不必要的。而且，當墻背傾角過大時，仍然采用庫倫土壓力系數來計算加筋體所受的土壓力也是不合適的。

（3）地基承載力驗算。在地基承載力計算中，兩種方法都是使用太沙基地基承載力公式來計算地基的極限承載力，由于DIBt方法得到的合力偏心距較大，得到的地基極限承載力相對中國規范的稍小。在基底壓力的計算中，由于楔體1選取的區別，《水利規范》所得到的基底壓力要小于DIBt方法所得到的基底壓力，從而也造成了安全系數的不同。

（4）內部穩定性驗算?！端幏丁分薪o出了筋材長度與邊坡高度之比與填土強度參數之間的經驗曲線，而且規定了筋材間的最大間距，通過試算確定主動區域、根據加筋力確定錨固長度。在這些規定的基礎上得出的加筋方案（見表1步驟4）默認已經滿足了內部穩定性要求，所以利用DIBt方法的內部穩定性驗算得出的安全系數都能夠滿足要求。而且，從其所得出的安全系數很大來看，該工程若使用DIBt方法進行設計，將可以把筋材間距設置的更大。

4.4 小結

通過DIBt方法對方案A的驗算結果，能夠發現如下規律：

（1）在外部穩定性驗算中，兩種方法的計算原理都相同，但是由于起抗滑作用楔體選取的不同造成了外部穩定性安全系數的區別；

（2）對于強度參數較大的填土邊坡，若使用DIBt方法進行設計，能夠得到筋材間距更大的加筋方案。

5 DIBt法設計及對比分析

5.1 DIBt法設計結果

針對圖3所示的邊坡模型，使用DIBt方法進行加筋設計。相對于《水利規范》的方法，DIBt方法沒有加筋方案的初選步驟，其實質是根據外部穩定性的要求確定最小的加筋區域（如圖2中楔體1），根據內部穩定性確定最大的筋材間距。

根據DIBt方法設計的加筋方案如下圖5（b）所示，簡稱為方案B，各種驗算安全系數如表5所示。

（a）《水利規范》加筋方案（方案A）   （b） 德國DIBt方法加筋方案（方案B）

圖5  兩種方法設計結果（單位：m）

表5 DIBt方法設計加筋方案驗算結果

注：在表5中，第8步最終加筋方案，每延米邊坡的筋材使用量為278.72m²

5.2 結果分析

        根據加筋方案A和B的比較，能夠發現以下幾個規律：

（1）由于DIBt方法中抗傾覆驗算的限制，方案B中墻背傾角（即筋材末端連線與豎直方向的夾角）不能過大，導致楔體1受到的主動土壓力比方案A更大。為了滿足抗滑穩定性要求就需要更大的楔體1，所以最終方案B中筋材的長度要遠大于方案A；

（2）DIBt方法中沒有規定筋材間距的具體數值，對于該工程中填土強度參數要求較高的邊坡，滿足內部穩定性要求的筋材間距就可以較大，這也是該方法能夠節省筋材用量的最主要原因；

（3）隨著筋材間距的增大，加筋體的內部穩定系數明顯減??；