土工格柵加筋土擋墻土壓力測試與有限元分析

呂 鵬，湯勁松，劉 杰，郭 強(qiáng)

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

1 研究背景

通過在擋墻內(nèi)鋪設(shè)加筋材料可改變其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布特性［1］。依靠鋪設(shè)在擋墻體內(nèi)土工格柵的加筋作用，可提高復(fù)合土體的模量，進(jìn)而減小擋墻面板處向外的水平位移。由于土力學(xué)基本理論是基于土體的位移特性來進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算的，因此加筋土擋墻面板后的側(cè)向水平土壓力不宜按照傳統(tǒng)的朗肯、庫倫土壓力理論進(jìn)行計(jì)算［2］。我國公路、鐵路部門采用變系數(shù)法進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算［3－4］，即擋墻面板處側(cè)向水平土壓力系數(shù)隨深度變化，垂直土壓力仍按照 Σγh計(jì)算，其中γ為重度，h為高度。

擋墻內(nèi)的土壓力分布直接影響支擋結(jié)構(gòu)的變形與穩(wěn)定，為研究加筋土擋墻的土壓力分布規(guī)律，分析土工格柵的加筋效果，以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，本文結(jié)合某公路土工格柵加筋土擋墻進(jìn)行了土壓力現(xiàn)場測試，采用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值分析，進(jìn)而總結(jié)了土工格柵加筋土擋墻的土壓力分布規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 工程概況

某公路土工格柵加筋土擋墻高7.6m，采用高×厚 ×長為0.3 m×0.2m×1.2m的砌塊式預(yù)制鋼筋混凝土面板，土工格柵鋪設(shè)間距為0.3 m/層，加筋剛度500 kN/m，長10m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剛性基礎(chǔ)，填料采用土石混合料，擋墻下基礎(chǔ)為弱風(fēng)化砂巖。

2.2 土壓力測試儀器布設(shè)

采用土壓力盒進(jìn)行土壓力測試，具體布置(如圖1)為:面板后水平土壓力測試從基礎(chǔ)處向上，每上升1m高度設(shè)置1個土壓力盒;擋墻基底及擋墻中部(距擋墻基底高3.6m處)垂直土壓力測試由墻趾處開始沿水平方向每4m設(shè)置1個土壓力盒［5］。

圖1 土壓力盒布置圖Fig.1 Arrangement of soil pressure cell

3 有限元建模

計(jì)算采用巖土工程專業(yè)有限元程序Plaxis進(jìn)行，在確定材料本構(gòu)關(guān)系及其參數(shù)基礎(chǔ)上建立了有限元計(jì)算模型。

3.1 材料本構(gòu)及參數(shù)

土工格柵采用程序提供的Geotextile材料單元予以模擬，格柵剛度EA=500 kN/m。

采用設(shè)置接觸單元模擬筋土作用:即通過系數(shù)Rinter反映筋土之間互相作用的強(qiáng)弱，結(jié)合填料特性和程序說明取Rinter=0.67進(jìn)行計(jì)算。擋墻填料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，其力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 擋墻填料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of the filling material of retaining wall

3.2 加筋土擋墻有限元模型

模型高取7.6m，基底向下取10m、左側(cè)25m、右側(cè)考慮對稱取20m;面板與基礎(chǔ)之間為剛接，面板之間簡化為鉸接。建立的有限元模型(FEM)如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

4 理論值及實(shí)測結(jié)果對比

我國公路、鐵路部門相關(guān)規(guī)范采用變系數(shù)法進(jìn)行加筋土擋墻面板后水平土壓力設(shè)計(jì);擋墻體內(nèi)的垂直土壓力仍按照 Σγh進(jìn)行設(shè)計(jì)［6］。為驗(yàn)證有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，結(jié)合設(shè)計(jì)值、現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行了對比，具體可見表2和表3。

由表2及表3可知:

(1)FEM計(jì)算值和實(shí)測值較為接近，規(guī)律一致，說明了采用有限元法進(jìn)行分析的可行性。

(2)擋墻面板處的側(cè)向水平土壓力FEM計(jì)算值和實(shí)測值均明顯低于設(shè)計(jì)值，在沿墻高的分布規(guī)律上存在較大的差異(見表3):FEM計(jì)算值和實(shí)測值均表明自上而下無明顯增大，而設(shè)計(jì)值則表現(xiàn)為自上而下的遞增規(guī)律。

(3)表2反映了垂直土壓力實(shí)測值最大、有限元計(jì)算值最小，結(jié)合現(xiàn)場施工記錄分析其原因在于碾壓施工導(dǎo)致實(shí)測值偏大。

表2 擋墻基底和中部垂直土壓力對比Table 2 Comparison of vertical earth pressure in the basement and middle of retaining wall

表3 擋墻面板墻背水平土壓力對比Table 3 Comparison of lateral earth pressure behind retaining wall’s panel

5 工程因素對擋墻內(nèi)土壓力的影響

在加筋土擋墻內(nèi)由于土工格柵的加筋作用，故導(dǎo)致了擋墻體內(nèi)應(yīng)力重分布。本文分析了填料重度及土工格柵性能(剛度、長度、間距)對擋墻內(nèi)土壓力分布的影響規(guī)律，并與按照規(guī)范［7］所得到的設(shè)計(jì)值(間距0.3 m)予以了對比。

5.1 土工格柵豎向加筋間距的影響

依次取土工格柵豎向加筋間距為0.3，0.6，0.9 m，對比計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 加筋間距對土壓力的影響Fig.3 Effect of reinforcement spacing on earth pressure

由圖3可見:面板處水平土壓力值隨土工格柵豎向鋪設(shè)間距的減小而減小，而垂直土壓力無明顯變化;當(dāng)間距超過某一值后，面板處水平土壓力值明顯增大;由于土工格柵的加筋作用，面板后水平土壓力值并非單調(diào)遞增?；滋幍拇怪蓖翂毫υ诿姘甯浇忻黠@波動，分析其原因應(yīng)與擋墻面板自重向下傳遞導(dǎo)致垂直荷載明顯超過設(shè)計(jì)值相關(guān)?；灼渌幋怪蓖翂毫εc按設(shè)計(jì)公式 Σγh計(jì)算值無明顯差異，反映了加筋間距對基底處垂直土壓力無明顯影響。

5.2 土工格柵加筋剛度的影響

依次取土工格柵加筋剛度為250，500，1 000 kN/m，對比計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 加筋剛度對土壓力的影響Fig.4 Effect of reinforcement stiffness on earth pressure

由圖4可見:隨土工格柵的剛度增大，面板處的水平土壓力值減小，反映了土工格柵加筋作用對土體變形的約束作用;剛度超過一定值后對減小面板處的水平土壓力值的效果不再明顯增加，而當(dāng)剛度小于某一限值后面板處的水平土壓力值明顯增大;在土工格柵加筋作用下，水平土壓力值并非單調(diào)遞增。加筋剛度變化對基底處的垂直土壓力無明顯變化，除在面板附近垂直土壓力出現(xiàn)明顯的波動外，基本符合按 Σγh公式計(jì)算的設(shè)計(jì)值。

5.3 土工格柵加筋長度的影響

土工格柵加筋長度依次取為10，7，4m，對比計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見:對面板處水平土壓力的影響與其加筋長度有關(guān)，當(dāng)加筋長度較短時擋墻墻背面板處的水平土壓力值接近變系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，因此在設(shè)計(jì)使用中應(yīng)保證足夠的土工格柵加筋長度。加筋長度對垂直土壓力的影響不明顯，除在面板附近有明顯波動外基本和按照 Σγh公式計(jì)算的設(shè)計(jì)值基本一致。

圖5 加筋長度對土壓力的影響Fig.5 Effect of reinforcement length on earth pressure

5.4 填料重度的影響

圖6 填料重度對土壓力的影響Fig.6 Effect of filling material’s weight density on earth pressure

由土力學(xué)理論可知，填料重度直接影響土壓力的大小，故依次取重度17，18，19 kN/m3予以計(jì)算對比。

由圖6可見:當(dāng)土工格柵按照原建模長度、剛度、鋪設(shè)間距考慮時，計(jì)算結(jié)果表明填料重度對面板處水平土壓力無明顯影響，水平土壓力值并未受填料重度改變而明顯變化，體現(xiàn)了土工格柵的加筋作用對應(yīng)力分布的影響;水平土壓力均明顯小于按變系數(shù)法得到的設(shè)計(jì)值，且在距擋墻頂部一定深度后其數(shù)值表現(xiàn)為基本不再增大的規(guī)律，也與設(shè)計(jì)值隨深度依次增大規(guī)律不同。填料重度改變對基底垂直土壓力有明顯影響，除在面板附件有明顯波動外，與按 Σγh得到的設(shè)計(jì)值相符。

6 結(jié)論

綜合分析上述現(xiàn)場測試、數(shù)值計(jì)算等內(nèi)容可得如下結(jié)論:

(1)有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果數(shù)值接近，規(guī)律一致，說明可采用有限元方法對加筋土擋墻內(nèi)部的土壓力分布及其變化規(guī)律進(jìn)行研究分析。

(2)由于土工格柵的加筋作用，故影響了擋墻內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律:當(dāng)土工格柵的垂直鋪設(shè)間距較小，剛度和長度達(dá)到一定值后可明顯減小擋墻面板處的水平土壓力值，且其規(guī)律明顯不同于按照變系數(shù)法得到的設(shè)計(jì)值。故應(yīng)采用合理的土工格柵設(shè)計(jì)參數(shù)，從而減小擋墻面板處的水平土壓力，有利于擋墻的穩(wěn)定。填料重度變化對面板處的水平土壓力無明顯影響。

(3)基底處的垂直土壓力在面板處有明顯波動，部分?jǐn)?shù)值超越設(shè)計(jì)值，在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)予重視。在其它位置，計(jì)算值和設(shè)計(jì)值基本相符，說明土工格柵加筋對擋墻基底處垂直的土壓力分布無明顯作用。

［1］包承綱.土工合成材料應(yīng)用原理與工程實(shí)踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:169－177.(BAO Cheng-gang.Principle of the Application of Geosynthetics and Engineering Practice［M］.Beijing:China Water Power Press，2008:169－177.(in Chinese))

［2］徐 超，羅玉珊.加筋土擋墻設(shè)計(jì)方法對比與實(shí)例分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(5):43－47.(XU Chao，LUO Yu-shan.Comparison of Design Methods for Reinforced Soil Wall and Example Analysis［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2011，38(5):43－47.(in Chinese))

［3］JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.(JTGD30—2004，Specifications for Design of Highway Subgrades［S］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［4］TB 10025—2006，鐵路路基支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.(TB 10025—2006，Code for Design on Retaining Structures of Railway Subgrade［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2006.(in Chinese))

［5］楊廣慶，周亦濤，周喬勇，等.土工格柵加筋土擋土墻試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(1):206－210.(YANG Guang-qing，ZHOU Yi-tao，ZHOU Qiao-yong，etal.Experimental Research on Geogrid Reinforced Earth Retaining Wall［J］.Rock and soil Mechanics，2009，30(1):206－210.(in Chinese))

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