加筋格賓擋墻動力特性分析及設計要點

劉兆生，姚令侃，朱宏偉，劉 敏

（1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031 3.四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽 618000;4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

加筋格賓擋墻動力特性分析及設計要點

劉兆生1，姚令侃2，朱宏偉3，劉 敏4

（1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031 3.四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽 618000;4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

通過室內(nèi)拉拔試驗研究了格賓網(wǎng)筋土作用特性，利用振動臺試驗研究了加筋格賓擋墻的動力特性，分析了它在地震荷載下的破壞現(xiàn)象及其動土壓力分布規(guī)律，并找出其在地震荷載下的最不利部位，提出了加強措施;利用Geo-Studio軟件建立人工耦合有限元數(shù)值模擬模型，對比分析了振動臺試驗及相同尺寸的有限元數(shù)值模擬模型，研究加筋格賓擋墻的動力特性;分別建立了4種相同尺寸的模型，研究加筋格賓擋墻體系在整體受力體系中格賓擋墻及墻后加筋的影響。

格賓擋墻;格賓網(wǎng);振動臺;有限元;數(shù)值模擬

加筋格賓擋墻是一種新型的柔性擋墻結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)擋墻相比較，加筋格賓擋墻通過回收坡角減小了占地，運輸、施工均較方便。由于加筋格賓箱籠具有可植性和抗沖刷的性能，所以該結(jié)構(gòu)可以美化環(huán)境，防止水土流失，能與周圍環(huán)境達到和諧統(tǒng)一［1-3］。加筋格賓擋墻的拉筋與面墻網(wǎng)面為同一網(wǎng)面的無節(jié)點連接，能共同承受較大的垂直差異沉降和水平變形，極大地避免了傳統(tǒng)的混凝土面板加筋擋土墻因變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的筋材失效、面板開裂等問題［4］。

自20世紀80年代格賓在國外發(fā)展成型以來，曾用于河道護坡、土體支擋、橋臺修筑等。國外學者先后研究了格賓網(wǎng)的加筋土力學特性及加筋格賓擋墻的相關特性［5-6］。在國內(nèi)，加筋格賓擋墻的應用及相關理論研究均較少，僅僅作為在防洪搶險等緊急情形下的臨時構(gòu)筑物使用，嚴重影響了加筋格賓擋墻在工程中的應用推廣。因此，研究加筋格賓擋墻的作用機理及加筋格賓擋墻在動力作用下的力學特性對進一步推動這種新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要的意義。

1 格賓網(wǎng)及格賓擋墻室內(nèi)試驗

1.1 格賓網(wǎng)拉拔試驗

格賓網(wǎng)作為一種加筋材料埋置在土體中，當其受到水平方向的拉伸荷載時，將產(chǎn)生一定的變形。由于上覆荷載的作用，格賓網(wǎng)的上、下界面上將同時產(chǎn)生摩阻力。在試驗中，拉伸荷載可以由水平向千斤頂提供，格賓網(wǎng)的拉拔位移根據(jù)水平放置的百分表直接讀出（圖1）。法向壓力p可以由垂直方向安置的千斤頂加壓施加。試驗在4種不同法向壓力作用下進行，通過計算τ值，可以繪制出τ-d曲線，其中d為格賓網(wǎng)被拔出的位移值。當界面摩阻力達到某一定值后，格賓網(wǎng)位移急劇增大而拉力增大不明顯，此時可以認為格賓網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)拔出破壞，試驗即可停止。

圖1 格賓網(wǎng)拉拔試驗Fig.1 Schematic diagram of Gabion pulling-off test

在水平方向上用千斤頂緩慢施加拉力，每隔30 s記錄千斤頂拉力讀數(shù)和百分表度數(shù)。格賓網(wǎng)試樣在被拔出的過程中，上下界面的摩阻力可以認為均勻分布，并與拉力平衡。格賓網(wǎng)試樣的界面摩阻力可按式（1）計算:

式中:τ為界面摩阻力強度，kPa;Td為格賓網(wǎng)試樣被拔的拉力，kN;L、B分別為格賓網(wǎng)試樣埋在土內(nèi)部分的長度和寬度。

拉拔試驗最后的破壞形式表現(xiàn)為格賓網(wǎng)被整體拔出，除表面包塑材料由于滑移原因產(chǎn)生了擦痕外，格賓網(wǎng)整體完好，并未發(fā)生節(jié)點破壞或鋼絲被拉斷現(xiàn)象，如圖2。

圖2 格賓網(wǎng)拉拔試驗破壞形式Fig.2 Distruction mode of Gabion pulling-off test

格賓網(wǎng)在風化花崗巖中的界面摩阻力試驗結(jié)果如圖3。在不同壓實度下進行拉拔試驗時界面上的法向應力p與極限平均摩阻力τ的關系，如圖4。

圖3 格賓網(wǎng)τ－d關系Fig.3 Gabion τ-d graph

圖4 格賓網(wǎng)τ－p關系Fig.4 Gabion τ-p Diagram

由圖3、圖4容易得出格賓網(wǎng)在拉拔試驗下的抗剪切強度指標，在上覆荷載10 kPa時，極限抗拉力即達到11 kPa，抗拉性能較好，格賓網(wǎng)與試驗用土的綜合內(nèi)摩擦角φ值為10.76°，等效黏聚力值為8.75 kPa，抗剪強度較好。

作為一種加筋材料，格賓網(wǎng)本身具有很高的抗拉強度，與土工格柵相比抗拉性能較好，網(wǎng)孔密實，且其網(wǎng)孔連接形式為鉸接，避免了土工格柵黏結(jié)節(jié)點容易失效的問題，且其單個結(jié)點的失效并不影響格賓網(wǎng)整體的結(jié)構(gòu)性能，增加了整體的安全性。在格賓網(wǎng)被拔出后表層包塑材料產(chǎn)生嚴重的滑移擦痕，使里面的鋼絲裸露在外，在實際應用中會使鋼絲很快被銹蝕，因此格賓網(wǎng)在工程中的實際使用年限是一個亟待研究的問題。

1.2 加筋格賓擋墻振動臺試驗

1.2.1 試驗概況

加筋格賓擋墻在地震荷載作用下的動態(tài)響應模型試驗在振動臺上進行，該振動臺為西南交通大學道路與鐵道工程系鐵道部開放實驗室的單向電液伺服驅(qū)動式大型地震模擬試驗臺，是國內(nèi)最大的路基試驗專用振動臺［7］。

振動臺試驗模型箱內(nèi)部的有效尺寸為3.5 m×1.5 m ×2.0 m（長 × 寬 × 高），模型箱的內(nèi)壁和底部均鋪設2 mm的厚橡膠膜進行整體襯墊，如圖5、圖6。振動臺試驗模型采用格賓加筋擋墻模型。格賓網(wǎng)是近年來廣泛運用的一種新型材料結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工程設計要求組裝成箱籠，并裝入塊石等填充料后連接成一體，用做堤防、路基防護等工程的新技術。

圖5 格賓網(wǎng)擋墻模型Fig.5 Gabion retaining wall model diagram

圖6 加筋格賓擋墻振動臺模型Fig.6 Reinforced gabion retaining wall shaking table model

本次試驗模型加筋格賓擋墻的坡度為1∶0.5。在模型框架的下部滿鋪40 cm土墊層，模擬整體路基，土墊層上再逐層鋪設加筋格賓擋墻模型。格賓網(wǎng)網(wǎng)箱規(guī)格為30 cm×30 cm×75 cm，格賓網(wǎng)箱中充填塊石，一共鋪設5層，最下層土層和格賓網(wǎng)箱總長度為250 cm，寬度1.5 m。坡度按格賓網(wǎng)網(wǎng)箱對角線逐層鋪設，格賓網(wǎng)箱與箱后土體中鋪設的格賓網(wǎng)為一個整體，在模型的最上部鋪設10 cm厚、長170 cm的純土層模擬路面。

模型制作過程中埋設了加速度傳感器和土壓力傳感器（圖5），土壓力傳感器按接收盒布線位置從右至左對應模型中從下至上分別排列，加速度傳感器按從下至上按 0.4 m 間隔以 A5，A6，A3，A4（中部），A7的順序分別埋設。

1.2.2 模型參數(shù)及加載制度

本次加筋格賓擋墻振動臺試驗模型選用的格賓網(wǎng)為市場上購買的直徑25 mm，孔徑8×10 mm的普通鍍鋅格賓網(wǎng)，通過在裝模過程中稱量重量，得出級配碎石填充格賓擋墻后的容重為2.59 kN/m3，墻后填料為砂石土，通過篩分試驗并計算分析知該土樣不均勻系數(shù)為40.9，曲率系數(shù)為1.2，為級配良好土樣。通過擊實試驗并分析試驗數(shù)據(jù)結(jié)果繪制擊實試驗曲線圖，得出該填料最大干密度為2.154 g/cm3，最優(yōu)含水率為5.4%。通過拉拔試驗測得本次加筋格賓擋墻振動臺試驗格賓網(wǎng)的綜合內(nèi)摩擦角為10.76°，等效黏聚力 c為 8.75 kPa。

每次振動臺試驗前需先進行時間長度大于30 s的高斯平穩(wěn)白噪聲激勵微振試驗（加速度峰值為0.03 g），觀察模型動力特性的變化情況。模型試驗通過控制臺輸入大瑞人工合成地震波（圖7），分別進行小震（加速度峰值為0.085 g）、中震（加速度峰值為0.312 g）、大震（加速度峰值為 0.616 g）情形下的振動試驗。

圖7 大瑞人工合成地震波Fig.7 Darui synthetic seismic wave

1.2.3 振動臺試驗現(xiàn)象及分析

通過進行加筋格賓擋墻振動臺試驗及一系列材料試驗，發(fā)現(xiàn)加筋格賓擋墻模型在中震時基本保持完好，路面部分出現(xiàn)細微裂縫，大震時路堤表面格賓擋墻與路堤結(jié)合處的上方填料表面出現(xiàn)最寬3～4 mm的部分張拉裂縫，最大的張拉裂縫離擋墻外邊緣最遠長90 cm，呈弧形，后部有25 cm長的范圍影響嚴重，上表面出現(xiàn)最深2.5 mm的填土震陷，如圖8。在振動進行完成后格賓墻體整體基本未發(fā)生較大位移，最大位移不到1 cm，在振幅較大時，靠近擋墻的部分表面填料隨震動被甩出，格賓墻體上覆蓋許多甩出的土體，格賓擋墻未出現(xiàn)筋材破壞現(xiàn)象，如圖9。

圖8 加筋格賓擋墻大震破壞Fig.8 Sketch drawing for reinforced gabion retaining wall damaged in the earthquake

圖9 加筋格賓擋墻震后擋墻Fig.9 Sketch drawing for reinforced gabion retaining wall after the earthquake

如圖10，在大瑞人工合成波作用下，隨著震級的增加，各個測點的動土壓力呈整體增大的態(tài)勢，加筋格賓擋墻墻后動土壓力整體分布呈底部和頂部大，中間小，且頂部比底部大的狀態(tài)，尤其是在大震情況下尤為明顯，頂部的值比底部大2.5倍左右，說明加筋格賓擋墻頂部加速度放大系數(shù)較底部的大。模型在小震情況下，格賓墻最大動土壓力值約0.4 kPa，中震情況下，格賓墻最大動土壓力值約0.7 kPa，大震情況下，格賓墻最大動土壓力值約7.5 kPa。加筋格賓擋墻的組成部分格賓箱籠剛度較土質(zhì)路基較大，且整體能夠適應一定的變形量，有效地緩沖了地震力的作用，故在中震和小震情況下有效地阻止了土質(zhì)路基在地震力作用下的位移。大震情況下，加筋格賓擋墻動土壓力值驟然增加，說明加筋格賓擋墻在大震作用下發(fā)揮了擋墻及格賓網(wǎng)加筋的作用，有效的防止了路基的變形及破壞，作用明顯。在大瑞人工合成波的作用下，加筋格賓擋墻的頂部格賓箱籠是動土壓力最大的部分，在設計及施工中需要重點加強。

圖10 加筋格賓擋墻動土壓力分析Fig.10 Analysis chart for reinforced gabion retaining wall earth pressure

2 加筋格賓擋墻數(shù)值模擬分析

通過AutoCAD圖形軟件建立與加筋格賓擋墻振動臺模型試驗尺寸完全相同的數(shù)值模擬模型，采用實驗室采集的振動臺模型試驗的材料參數(shù)，通過使用Geo-Studio軟件中的Quake/W模塊分別建立有限元靜力及動力模型，輸入DR原型地震波，對加筋格賓擋墻靜力及動力反應進行有限元分析。采用設置歷史記錄點的形式模擬振動臺試驗中位移傳感器及加速度傳感器，歷史記錄點的位置與傳感器在振動臺模型中的位置一一對應，根據(jù)數(shù)值模擬計算的結(jié)果進行分析，在填土與加筋格賓網(wǎng)之間設置中間土層來模擬填土與加筋格賓的相互作用效果，通過Quake/W動力分析結(jié)果與Slope/W模塊進行人工耦合計算加筋格賓擋墻模型在地震中的安全系數(shù)。將數(shù)值模擬結(jié)果與加筋格賓擋墻振動臺模型試驗相關結(jié)果進行對比分析，得出相關結(jié)論。

在加筋格賓擋墻數(shù)值中，材料位置及材料參數(shù)與加筋格賓擋墻振動臺模型試驗保持一致，模型邊界采用彈塑性邊界，土體本構(gòu)模型采用庫侖模型，地震波采用振動臺試驗所采用的大瑞人工合成波。加筋格賓擋墻和筋材的相關物理參數(shù)如表1。

表1 加筋格賓擋墻模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters of reinforced gabion retaining wall model

有限元數(shù)值模擬位移云圖如圖11。大震最大位移云圖［圖11（a）］中，擋墻頂部位移最大，位移值為3.7 mm，最大位移部位為距離墻后0.4 H（H為墻高）到頂部邊緣的地方，頂部裂縫為0.5 mm;中震最大位移云圖［圖11（b）］中，擋墻頂部位移最大，最大位移為1.9 mm，最大位移部位為距離墻后0.28 H到頂部邊緣的地方，頂部最大裂縫為0.25 mm;小震最大位移云圖［圖11（c）］中，頂部位移最大為0.55 mm，最大位移部位為距離墻后0.31 H到頂部邊緣的地方，頂部裂縫為0.035 mm，由此可知，加筋格賓擋墻在地震荷載作用下位移值較小，由于格賓擋墻剛度較高，重度較大，在地震荷載下基本未發(fā)生移動，限制了路堤的位移及裂縫，加筋格賓擋墻在中震、小震情況下表層破裂面為頂部距擋墻0.3 H左右的位置，符合朗金破裂面理論，在大震情況下破裂面向后推移至0.4 H的部位。由數(shù)值模擬分析可知擋墻頂部裂縫明顯比底部的大，這是因為路堤整體受重力作用，下部受約束較大，且路堤上部的加速度在經(jīng)放大作用后比底部的大，使路堤上部在地震荷載下受力最大，在地震荷載作用下最危險，需要著重加強。

加筋格賓擋墻在地震荷載下的動土壓力值如圖12，擋墻動土壓力值呈現(xiàn)頂部與底部較大，中間較小的形式，動土壓力值從小震到大震增加明顯，在中震及大震作用下，擋墻頂部動土壓力值放大作用明顯，大震下最大動土壓力值在5.8 kPa左右，數(shù)值模擬結(jié)果與振動臺實驗基本相符。

圖11 有限元數(shù)值模擬位移云圖Fig.11 FEM displacement cloud

圖12 數(shù)值模擬加筋格賓擋墻動土壓力Fig.12 Pressure Diagram for numerical simulation reinforced gabion retaining wall

為研究加筋格賓擋墻在地震荷載下究竟是擋墻起主要作用還是格賓網(wǎng)加筋起主要作用，通過將擋墻與加筋格賓分別設置，分析不同設計方案下的路堤在動力作用下的安全系數(shù)來說明問題。

文中通過5種設計方案研究加筋格賓網(wǎng)擋墻在9度地震荷載作用下的作用機理（圖13）。設計方案1:路堤既不設置擋墻也不加筋;設計方案2:路堤加筋不設置擋墻，只在路堤內(nèi)部加筋;設計方案3:路堤只設置擋墻不加筋;設計方案4:路堤設置擋墻，擋墻后部格賓箱籠的后側(cè)滿鋪格賓;設計方案5:路堤設置擋墻，擋墻后部箱籠后側(cè)加筋，上部加筋滿鋪，下部加短筋。

圖13 加筋格賓擋墻作用機理研究Fig.13 Study on mechanism of reinforced gabion retaining wall icon

設計方案1在地震荷載下的安全系數(shù)為0.874，滑面為頂部到下部的貫通滑面，設計方案2在地震荷載作用下其安全系數(shù)為1.065，滑面從頂部到中下部滑出，這兩種方案均不滿足路堤抗震設計規(guī)范，路堤較危險。而設計方案3～設計5安全系數(shù)均大于1.15，滑面均為頂部到中下部的貫通滑面，滿足路堤抗震設計要求。

通過不同設計方案所得到的安全系數(shù)進行對比分析可以明顯看出在路堤中設置加筋格賓擋墻格賓擋墻起主要作用，路堤單獨設置格賓擋墻而墻后不加筋已能基本滿足抗震要求，擋墻的抗震作用明顯。而格賓加筋能夠一定程度上提高路堤在地震荷載下的整體穩(wěn)定性，但其加強效果有限，僅僅加筋不能使路堤滿足抗震要求，在和格賓擋墻一起設置時，墻后加筋能一定程度上提高格賓擋墻的抗震整體效果。因路堤整體上部地震加速度較大，動土壓力也較大，所以上部的加筋格賓對格賓擋墻也起到了一定的錨固作用，底部的加筋格賓作用不大，如設計方案4與設計方案5安全系數(shù)基本相差不多，所以加筋格賓擋墻墻后加筋可以進行優(yōu)化，不必要進行滿鋪設計。

3 結(jié)論

1）加筋格賓擋墻在地震荷載作用下抗震性能好，適宜在高烈度地震區(qū)進行推廣使用。

2）格賓網(wǎng)作為加筋材料其性能明顯優(yōu)于土工格柵，極限抗拔力較高，綜合內(nèi)摩擦角及等效黏聚力也較高，作為加筋材料性能優(yōu)異。

3）加筋格賓擋墻在中震及小震情況下符合朗金破裂面理論，破裂面在路堤頂部位于距擋墻0.3 H左右的位置，在大震情況下破裂面位置向后推移至0.4 H的位置，擋墻頂部為最危險部位，需要在設計及施工中重點加強。

4）加筋格賓擋墻因格賓擋墻剛度及重度均較大，材料參數(shù)較好，在地震荷載作用下，有效的限制了路堤的滑移，但路堤靠近擋墻的部位在地震荷載下容易發(fā)生擠壓變形破壞。

5）加筋格賓擋墻在地震荷載作用下，格賓擋墻起主要作用，墻后加筋起次要作用，墻后加筋能在一定程度上提高路堤整體的抗震性能，并對格賓擋墻起到一定的錨固作用。格賓擋墻墻后上部加筋效果較下部加筋效果明顯，在設計中可以進行優(yōu)化，墻后不必要滿鋪格賓，以節(jié)約筋材。

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Feature Analysis and Design Discussion for Reinforced Gabion Retaining Wall

LIU Zhao-sheng1，YAO Ling-kan2，ZHU Hong-wei3，LIU Min4
（1.The Third Survey＆ Design Institute of Railway Co.Ltd.，Tianjin 300142，China;
2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;3.Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，Sichuan，China;
4.The fourth Survey ＆ Design Institute of CC Co.Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，China）

The properties of gabion mesh Role properties are examined by the indoor pull-out test，the dynamic features of reinforced gabion retaining wall analysis are studied through shaking table test，analyzing the destruction under seismic loading and the failure law of its ground breaking pressure，to find out the worst part of reinforced gabion retaining wall under seismic loading and provide Related measures for enforcing the wall.Geo-Studio software，using an artificial coupling finite element numerical simulation model，compares analytically the results of shaking table model test and the finite element numerical simulation with the same size，to further study the dynamic characteristics of reinforced gabion retaining wall，Study reinforced gabion retaining wall system in the overall force system gabion retaining wall and the wall reinforcement effects.

gabion retaining wall;gabion mesh;vibration table;finite element;numerical simulation

U214.83

A

1674-0696（2011）06-1353-06

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.22

2011-06-20;

2011-07-15

鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題（2008G010-A）

劉兆生（1986-），男，新疆阿克蘇人，碩士研究生，主要從事道路與鐵道工程相關的研究。E-mail:liuzhaosheng@home.swjtu.edu.cn。