車輛荷載下土工格柵加筋擋土墻動力特性研究

王 怡 羅丹霞 杜雪芳 張訓忠

(綿陽職業(yè)技術學院 四川綿陽 621010)

近10年來，我國國民經(jīng)濟得到了飛速發(fā)展、人們的生活水平也得到了很大改善。擁有一個健全、高效運作的基礎設施系統(tǒng)是取得這些驕人成果的必要條件之一。我國地質(zhì)狀況復雜，區(qū)域間差異很大，當前道路修建中高等級道路的比例不斷增長，對路基處理、防止沉降提出了很高的要求，采用加筋土擋墻這一結(jié)構(gòu)形式無疑的是一種經(jīng)濟、穩(wěn)妥的解決辦法。加筋擋土墻是一種較為特殊的結(jié)構(gòu)形式，其承受的主要載荷是墻背后的填土壓力和相關的外部載荷。隨著使用時間的增長，擋土墻的穩(wěn)定性就會減弱，甚至會出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象，尤其當加筋擋土墻作為公路、鐵路路基時，其除了可能遭受地震、爆炸等劇烈的動力荷載外，還將長期承受車輛動荷載，因此，對這部分加筋擋土墻的穩(wěn)定性能提出了更高的要求［1－4］。隨著交通流量的增大以及重型車輛的增多，公路路基擋土墻的失穩(wěn)問題已不是個例，而是具有一定的普遍性，僅山東省交通系統(tǒng)就有不少于30座路基擋土墻在使用過程中發(fā)生不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象。據(jù)分析，道路負荷超載是該類問題的主要原因［4－8］。針對以上情況，本文結(jié)合工程實例，基于FLAC2D有限元數(shù)值分析方法對土工格柵加筋擋土墻在車輛荷載下的動力特性進行研究分析。

1 研究方法

1.1 工程實例

1995年建成的山東省荷澤市人民路公鐵立交橋加筋土擋土墻于2000年發(fā)生輕微墻體外傾，從2002年開始墻體外鼓變形并逐漸加劇，至2003年6月?lián)鯄Τ霈F(xiàn)下列破壞:(1)墻體最大位移超過250 mm，兩側(cè)護攔內(nèi)傾，頂部面板局部脫落;(2)墻面變形引起整個墻體沿軸線方向外鼓，相對鼓出量達100 mm以上，南側(cè)擋土墻外傾嚴重，墻面混凝土預制塊間縫隙明顯，部分預制塊有破碎缺失現(xiàn)象;(3)路面出現(xiàn)縱向裂縫，并出現(xiàn)局部下陷。

1.2 數(shù)值計算模型

由于立交橋兩端接線加筋土擋土墻較長，整個墻體沿軸線方向變形很小，可忽略不計，力學分析采用平面應變模型。計算模型寬26.5 m，分別選取擋土墻高度為12 m，10 m，8 m和6 m的剖面，對應的模型高度為17 m，15 m，13 m和11 m。模型兩側(cè)限制水平方向移動，模型底面限制垂直方向移動。按前述失穩(wěn)加筋土擋土墻實例建立的計算模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

加筋土擋土墻內(nèi)填土主要由亞黏土和砂土組成，采用莫爾－庫侖屈服準則描述。擋土墻除自重外，主要承受行車形成的動載荷，原設計承載為汽－20 t，掛－100 t，模擬計算動荷載按兩種極端情祝考慮，在模型上對稱布置4輛30 t載重車，同時作用在計算剖面上，載荷集度為40 kN/m。

圖1 17 m加筋擋土墻數(shù)值計算簡圖Fig.1 The numerical calculation diagram of a reinforced retaining wall

1.3 對稱車輛荷載下土工格柵受力情況分析

本文根據(jù)工程實際情況以及數(shù)值分析所得數(shù)據(jù)得到了擋墻不同高度處土工格柵在車輛荷載下受力隨時間的變化情況，如圖2所示。

圖2 不同高度處格柵軸力隨時間的變化圖Fig.2 The variation diagram of the grid axial force with time at different heights

根據(jù)圖2所示各高度處格柵軸力隨時間的變化情況可知:(1)在車輛荷載作用前，格柵在靜力平衡時，其受力情況隨所處高度不同而不同，底部0.5～1.5 m處格柵受力較小，其分布兩邊大、中間較均勻;當格柵位于2.5～7.5 m時，格柵所受軸力明顯增大，且隨著格柵所處高度的增加，其兩端軸力峰值向中間移動，致使其軸力分布呈“M”形狀;當格柵位于8.5～11.5 m時，格柵所受軸力較中部處格柵有所減小，軸力分布呈倒“V”形，且隨著高度增加，其峰值處越顯“尖銳”。(2)當車輛荷載作用于擋墻剖面時，各高度處格柵軸力隨荷載作用時間的增加而增大，各高度處格柵受力分布情況變化不大，但軸力峰值隨動載時間的增加有向面板兩側(cè)移動的趨勢，因每次車輛荷載作用時間僅為0.15 s，其軸力增大幅值有限，當荷載作用完成時，土工格柵憑借其自身良好的彈性性能以及較大的彈性模量和屈服強度使其內(nèi)部受力最大限度地恢復到先前靜力狀態(tài)，而當擋墻作為路基長期遭受車輛荷載，其上述過程將不斷重復，此時可將格柵受力看作是長期的循環(huán)荷載，隨著時間的推移和環(huán)境條件的改變，格柵將出現(xiàn)老化、疲勞以及應力松弛等現(xiàn)象，因此將會出現(xiàn)上述墻體外鼓變形并逐漸加劇等現(xiàn)象。

1.4 對稱車輛荷載下不同高度擋墻墻面水平位移

分別以擋墻高度為6 m，8 m，10 m，12 m建立模型，在相同對稱車輛荷載條件下進行數(shù)值計算，根據(jù)各擋墻模型面板在t=0.15 s的水平位移數(shù)據(jù)得圖3。

圖3 不同高度擋墻在對稱動載下墻面水平位移曲線(t=0.15 s)Fig.3 The horizontal displacement curve(t=0.15 s)of retaining walls at different heights under a symmetric dynamic load

由圖3可知，在對稱車輛荷載條件下，各高度處擋墻面板側(cè)向位移皆呈鼓狀，此點在墻體變形特性研究中得到了應證，且各高度擋墻面板的水平位移峰值都大約出現(xiàn)在墻高的1/2處。當墻體高度較小時(6 m)，由于加筋土體在車輛荷載下自身沉降以及格柵拉力對墻趾處面板的彎矩較小，致使面板的側(cè)向位移不能得以充分發(fā)揮，該高度下的墻體具有良好的穩(wěn)定性。隨著墻體高度的增加，面板的側(cè)向位移值有明顯的上升，墻體內(nèi)部格柵受力增大，最為顯著的特點是在墻體頂部及底部出現(xiàn)負側(cè)向位移。根據(jù)分析，頂部出現(xiàn)負側(cè)向位移的主要原因在于隨著墻體高度的增加，表面沉降越明顯，淺層格柵在車輛荷載作用下其中部沉降值明顯大于兩側(cè)，致使淺層格柵與面板的夾角較大，因此產(chǎn)生了較大的水平拉力使面板出現(xiàn)負向側(cè)位移值。在墻趾處出現(xiàn)負向位移的原因在于隨著墻體高度的增加，格柵拉力在墻角處產(chǎn)生的彎矩增大，面板在受力過程中以墻角為支點，有順時針旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，同時數(shù)值計算的結(jié)果表明墻趾處有較大的應力集中現(xiàn)象。

2 結(jié)論

通過研究，本文得到以下結(jié)論:(1)格柵在靜力平衡狀態(tài)下，其軸力的大小與其所處的高度有密切關系。高度較低時(0.5～1.5 m)，格柵受力較小，隨著高度的增加(2.5～7.5 m)，格柵受到的軸力呈現(xiàn)增大的趨勢，高度達到8.5～11.5 m時，格柵軸力與前高度范圍相比有少許回落，軸力在這個范圍內(nèi)變化不大，呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。(2)墻體外鼓變形并逐漸加劇等現(xiàn)象是由于格柵受到長期的循環(huán)荷載作用，隨著時間的推移和環(huán)境條件的改變，格柵出現(xiàn)老化、疲勞以及應力松弛等現(xiàn)象造成的。(3)面板的側(cè)向位移受墻體高度的影響較顯著。隨著墻體高度的增加，面板的側(cè)向位移值有明顯的上升，墻體內(nèi)部格柵受力增大，最為顯著的特點是在墻體頂部及底部出現(xiàn)負側(cè)向位移。

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