三峽庫(kù)區(qū)某短加筋擋土墻數(shù)值模擬分析

胡榮，徐超，朱洪，羅玉珊

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土工程與地下結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.湖北力特土工材料有限公司，湖北宜昌 443003）

0 引言

在一般的邊坡防護(hù)工程中，加筋擋土墻與重力式擋墻相比，不僅經(jīng)濟(jì)效益好，抗震性能突出，而且在視覺(jué)效果與環(huán)境美觀方面也更具優(yōu)越性[1]。正因?yàn)槿绱?，加筋擋土墻在公路、鐵路和水利等工程建設(shè)中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在工程實(shí)踐中，當(dāng)受施工場(chǎng)地限制，或者特種防護(hù)功能的需要，加筋擋土墻中的加筋鋪設(shè)長(zhǎng)度難以達(dá)到規(guī)范要求的長(zhǎng)度。在此種工況下，只要被防護(hù)邊坡巖土體性能良好，加筋擋土墻仍能保持穩(wěn)定。這類(lèi)加筋擋土墻可稱(chēng)為“短加筋擋土墻”，相當(dāng)于國(guó)際上的shored mechanically stabilized soil wall（SMSE Wall）[2]。例如既有填方路堤加寬工程中，在保證正常通車(chē)的情況下施工場(chǎng)地非常有限。這種情況下，短加筋擋墻往往是第一選擇。再比如風(fēng)化巖質(zhì)陡坡的生態(tài)防護(hù)工程，盡管邊坡具有較好的自穩(wěn)特性，為了邊坡綠化而不得不進(jìn)行坡面固土，此時(shí)就沒(méi)有必要大量開(kāi)挖巖質(zhì)邊坡，采用短加筋擋土墻能夠滿足上述要求。

短加筋擋土墻的主要特點(diǎn)是擋墻中筋材長(zhǎng)度小于規(guī)范規(guī)定值，如國(guó)內(nèi)外規(guī)范[3-4]中，為了滿足擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性要求，筋材布置長(zhǎng)度一般應(yīng)不小于0.7H（H為擋墻高度），至少不小于0.6H。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)短加筋擋土墻的研究很少，已有的研究[2，5-6]僅限于1g（g為重力加速度） 模型試驗(yàn)和離心機(jī)試驗(yàn)，從加筋長(zhǎng)度的影響和土壓力分布規(guī)律等方面探討短加筋擋土墻的行為特征。在工程實(shí)踐中，短加筋擋土墻還缺少理論依據(jù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因此有必要對(duì)短加筋擋墻進(jìn)行系統(tǒng)分析。本文結(jié)合實(shí)例工程，通過(guò)建立短加筋擋土墻數(shù)值模型，比較全面地模擬了特定工況下短加筋擋土墻的破壞模式和變形特征，分析了墻后錨固等工程措施的作用，所得結(jié)果可為類(lèi)似工程應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

三峽庫(kù)區(qū)主干道旁存在一處風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，全線長(zhǎng)為200 m，高度為11 m，削坡后的坡比為1∶0.3。擬采用加筋擋土墻進(jìn)行邊坡支護(hù)和坡面綠化，如按規(guī)范要求，加筋長(zhǎng)度應(yīng)為7.7 m，這將極大地增加挖方量和工程造價(jià)。但考慮風(fēng)化坡體自身基本能夠保持穩(wěn)定，加筋擋墻僅為恢復(fù)自然環(huán)境及能滿足坡頂結(jié)構(gòu)要求，采用了短加筋擋土墻結(jié)合錨桿的形式進(jìn)行防護(hù)處理。

本工程中，加筋材料采用80 kN/m土工格柵，加筋層間距為50 cm，加筋長(zhǎng)度為4 m，明顯小于規(guī)范規(guī)定值。在加筋擋土墻底部設(shè)置厚約10 cm素混凝土墊層，擋墻填料為風(fēng)化砂，綜合內(nèi)摩擦角不小于34°。為配合墻面綠化，擋土墻墻面由土工格柵反包土袋形成，袋內(nèi)植草，墻頂種植灌木，以達(dá)到坡體綠化的效果。在該工程中，為了加強(qiáng)擋墻與墻后風(fēng)化巖體的結(jié)合，采用巖層錨桿，并與加筋層牢固連接。加筋擋墻基礎(chǔ)為埋深30 cm，并預(yù)設(shè)L型鋼筋，鋼筋水平長(zhǎng)度4 m，豎向長(zhǎng)度0.5 m，鋼筋水平間距1.5 m。并在地面線以上焊接橫向鋼筋并將第一層格柵固定在橫向鋼筋上?；A(chǔ)混凝土等級(jí)C25，縱橫向鋼筋φ25。

2 數(shù)值模型建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

本文采用通用Plaxis軟件建立三峽庫(kù)區(qū)短加筋擋墻數(shù)值模型。在數(shù)值模型中，土體與風(fēng)化巖體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬，該模型可表述為

式中：c和φ為巖土體的強(qiáng)度參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)第2.2節(jié)表2。

土工格柵材料為只能受拉，不能受壓，不具有抗彎剛度的柔性材料，在模型中采用Plaxis自帶的格柵單元模擬。格柵單元為線彈性體，是只能沿軸向變形的一維單元。而錨桿注漿段用高強(qiáng)度的格柵單元模擬[7]。擋墻下所設(shè)置的素混凝土墊板采用線彈性本構(gòu)模型。

加筋與土之間的應(yīng)力傳遞取決于界面的力學(xué)特性。數(shù)值模型中，格柵與土體、錨桿注漿段與巖體采用界面單元模擬二者之間的相互作用。Plaxis軟件引入了界面單元的概念，可以模擬在施工或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中土工格柵與土之間的相互作用和相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象。界面單元的強(qiáng)度定義為：

式中：Rinter為c和tanφ的折減系數(shù)。

2.2 建立模型

模型建立如圖1所示，加筋擋土墻各構(gòu)成材料的具體參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

采用上述建立的三峽庫(kù)區(qū)某短加筋擋土墻數(shù)值模型進(jìn)行分析，圖2和圖3分別為擋墻的水平位移云圖和豎向位移云圖。模擬結(jié)果顯示，風(fēng)化巖體變形很小，自身保持穩(wěn)定。

表1 格柵和錨桿參數(shù)表

表2 填土及風(fēng)化巖體等參數(shù)表

圖2顯示，短加筋擋土墻最大水平位移出現(xiàn)在墻體中部偏下的位置，達(dá)到121.4 mm，即墻體發(fā)生較明顯的側(cè)向鼓出。擋墻上部由于回填砂土和微風(fēng)化巖體強(qiáng)度存在明顯差異，使得墻體水平位移與巖體的水平位移有突變。擋墻中下部分由于有錨桿直接與筋材相連接，墻體水平位移和墻后巖體的水平位移無(wú)明顯突變現(xiàn)象。

由圖3可知，短加筋擋土墻上部豎向位移最大，達(dá)到了160.79 mm。同水平位移一樣，在擋墻上部，回填土與巖體之間也存在明顯的位移突變現(xiàn)象，而在中下部則由于錨桿的存在，一定程度上限制了回填土的水平和豎向位移，表現(xiàn)為無(wú)明顯的突變現(xiàn)象。

擋墻柔性面板后的主動(dòng)土壓力分布如圖4所示，擋墻頂部9～11 m范圍內(nèi)的主動(dòng)土壓力分布與郎肯土壓力近似，9 m以下土壓力與郎肯土壓力相差明顯，底部最大主動(dòng)土壓力約為22 kPa，僅為郎肯主動(dòng)土壓力的46%，這與目前已有短加筋土壓力研究結(jié)果[8-9]相似，但不同于普通加筋擋土墻土壓力分布[10]。

數(shù)值分析結(jié)果還顯示：原微風(fēng)化巖體的變形很小，其最大位移僅為400×10-12m。可見(jiàn)原風(fēng)化巖體自穩(wěn)性很好。修筑加筋擋土墻有利于增加原風(fēng)化巖體的穩(wěn)定性，表現(xiàn)為擋墻對(duì)原巖體開(kāi)挖面具有較大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。垂直開(kāi)挖面的正應(yīng)力從上至下呈增加趨勢(shì)，底部達(dá)到最大約為55 kPa；平行開(kāi)挖面的剪應(yīng)力上部較小，中下部則較大，最大達(dá)到96.5 kPa。

各根筋材表面的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力分布都相似，均為前端較小，末端較大，而錨桿拉應(yīng)力則是前端較大，末端較小，趨于0。各根錨桿（錨桿編號(hào)見(jiàn)圖2） 所受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的最大值列入表3。

表3 錨桿受力情況

擋墻內(nèi)部筋材受力分析：由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于反包式加筋擋墻柔性面板的模擬還不成熟，且限于作者有限的知識(shí)，此次短加筋擋墻的筋材受力分析中面板處筋材受力尚存在不足。拋開(kāi)面板處筋材受力情況，總的來(lái)說(shuō)，擋墻內(nèi)部筋材受力情況比較復(fù)雜，與傳統(tǒng)擋墻內(nèi)部筋材受力差別大，圖5為部分筋材受力情況分析，由圖可見(jiàn)，2 m以下筋材的受力類(lèi)似于傳統(tǒng)加筋擋墻筋材受力，越靠近面板，其所收到的拉應(yīng)力越大。2 m以上筋材受力則明顯不同于傳統(tǒng)加筋擋墻，其中與3、4號(hào)錨桿相連的筋材連接處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，即圖5中上揚(yáng)段。分別為為23.9 kN/m、21.1 kN/m。其余筋材拉力最大值均發(fā)生在擋墻內(nèi)部，靠近被擋巖體處最小。

3 參數(shù)研究與對(duì)比分析

為進(jìn)一步研究短加筋擋土墻的受力特性和變形特點(diǎn)，參考實(shí)際工況，對(duì)短加筋擋土墻進(jìn)行參數(shù)研究，考慮如下不同工況：1）在其他條件不變的情況下，調(diào)整加筋層間距，層間距采用40 cm和60 cm兩種情況；2）取消巖層錨桿；3）在風(fēng)化巖體上部增加4層錨桿。

3.1 加筋間距的影響

在數(shù)值模型中，調(diào)整土工格柵層間距分別為40 cm和60 cm，進(jìn)行短加筋擋墻數(shù)值模擬。圖6給出了不同加筋層間距情況下墻面水平位移隨墻高的變化。結(jié)果顯示，格柵的間距對(duì)短加筋擋墻的位移具有明顯的影響，隨著加筋間距的增大，擋土墻的最大位移、水平位移和豎向位移也都隨之增大。當(dāng)加筋間距為40 cm的時(shí)候，其最大總位移為135.1 mm，比加筋間距為50 cm的最大位移小約38 mm；而間距為60 cm時(shí)候的位移為206.7 mm，比50 cm加筋要大約34 mm。但在墻體穩(wěn)定的前提下，加筋間距并不影響短加筋擋墻的整體變形模式，都是在中部偏下的位置處水平位移最大，只是隨著加筋間距越大，其側(cè)向變形量越大。

3.2 有無(wú)錨桿對(duì)比分析

取消圖1中的巖層錨桿，對(duì)短加筋擋墻進(jìn)行模擬，所得水平位移云圖見(jiàn)圖7。對(duì)比圖7與圖2可知：不加錨桿時(shí)，其變形特點(diǎn)與加錨桿相似，最大水平位移發(fā)生在中間部位偏下的位置處，呈現(xiàn)出“腰鼓形”鼓出，最大水平和垂直位移分別有126.8 mm，比加錨桿時(shí)大了約5.4 mm，而且鼓腰的位置略有下移，垂直位移則無(wú)明顯變化。加筋擋墻與風(fēng)化巖體之間的位移突變點(diǎn)也出現(xiàn)了一定程度的下移，約1 m左右?？梢?jiàn)，錨桿對(duì)于短加筋擋墻的水平位移影響不大，但對(duì)墻體的豎向變形具有一定的限制作用。

3.3 不同錨桿層數(shù)對(duì)比分析

在原模型的基礎(chǔ)上建立了增加上部錨桿的模型，上部錨桿長(zhǎng)3 m。圖8所示為增加錨桿后擋墻的水平位移云圖。通過(guò)圖2與圖7的對(duì)比，可以看出，上部錨桿的存在改變了短加筋擋土墻的變形特點(diǎn)。擋土墻的水平向最大位移處仍在中間部位處，但是其不再呈現(xiàn)出“腰鼓”現(xiàn)象，說(shuō)明上部錨桿對(duì)于擋土墻的變形量也有一定程度的控制作用，具體表現(xiàn)為最大位移減小了約27 mm，水平和豎向位移分別減小了約31 mm、39 mm。

4 結(jié)論

結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)風(fēng)化巖體邊坡防護(hù)工程實(shí)例，采用數(shù)值模型對(duì)短加筋擋土墻進(jìn)行數(shù)值模擬和參數(shù)研究，在模擬結(jié)果分析的基礎(chǔ)上可以得出以下結(jié)論：

1） 短加筋擋墻和墻后風(fēng)化巖體的變形存在明顯的突變，變形主要集中在短加筋擋墻部分，巖體變形很小，且?guī)r體對(duì)加筋擋墻的作用力也很小。

2） 短加筋擋墻的變形特點(diǎn)：水平位移最大處位于擋土墻中間略偏下的部位，表現(xiàn)為“腰鼓形”鼓出；豎向位移最大處則位于擋墻頂面附近，表現(xiàn)為擋墻沉降。

3） 墻體后巖體中錨桿的分布對(duì)短加筋擋墻的變形和受力情況影響明顯。由于墻后風(fēng)化巖體具有自穩(wěn)能力，對(duì)加筋擋土墻土壓力較小，打設(shè)錨桿并與筋材直接連接的作用主要是限制擋墻的變形，調(diào)整擋墻與被擋巖土體之間的相對(duì)位移。

4） 加筋間距對(duì)短加筋擋墻的變形有明顯影響。與一般的加筋擋土墻類(lèi)似，隨著加筋間距的變大，相應(yīng)的擋墻的總位移、水平位移和豎向位移均增大。

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