柔性生態(tài)加筋擋土墻的基底應(yīng)力計(jì)算方法研究

宋靜曉,王建群,劉　澤,廖為東

(1.嵊州市公路管理局, 浙江　嵊州　312400;2.衢州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站, 浙江　衢州　324000;

3.湖南科技大學(xué)　土木工程學(xué)院, 湖南　湘潭　411201;4.麗水海為工程技術(shù)有限公司, 浙江　麗水　323406)

柔性生態(tài)加筋擋土墻的基底應(yīng)力計(jì)算方法研究

宋靜曉1,王建群2,劉澤3,廖為東4

(1.嵊州市公路管理局, 浙江嵊州312400;2.衢州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站, 浙江衢州324000;

3.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南湘潭411201;4.麗水海為工程技術(shù)有限公司, 浙江麗水323406)

摘要:基底應(yīng)力計(jì)算是支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算的重要內(nèi)容之一。在分析柔性生態(tài)加筋土擋墻結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析和理論研究，討論了柔性生態(tài)加筋土擋墻內(nèi)豎向應(yīng)力的分布規(guī)律與基底計(jì)算方法的差異，提出了柔性生態(tài)加筋擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算方法建議。研究表明：柔性生態(tài)加筋擋土墻的基底壓力呈非線性分布，在面墻側(cè)較小而筋材末端較大；加筋體后水平土壓力的力矩作用不明顯；建議采用梅耶霍夫理論進(jìn)行計(jì)算。

關(guān)鍵詞:生態(tài)加筋，擋土墻

0引言

目前工程上應(yīng)用的支擋結(jié)構(gòu)多采用混凝土或塊石構(gòu)建，如干砌或漿砌重力擋土墻、片石混凝土擋墻、扶壁式擋土墻、樁板式擋土墻等。這些擋土墻不僅材料生產(chǎn)能耗高、圬工多、施工難度大、施工質(zhì)量難以保證，而且隔斷了工程結(jié)構(gòu)上下兩方的生態(tài)連續(xù)性，結(jié)構(gòu)功能也會(huì)隨著材料風(fēng)化而降低，生態(tài)景觀功能欠缺[1-2]。

近年來，柔性生態(tài)加筋擋土墻在路基邊坡支擋中得到了大力推廣。這是一種將加筋土技術(shù)和生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合的新型支擋結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)路基邊坡深層加筋和淺表面植物根系加筋的時(shí)空耦合加固，具有優(yōu)良的力學(xué)與生態(tài)功效，已在浙江黃衢、紹諸、杭新景等多條高速公路上得到成功應(yīng)用[2]。然而作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，相關(guān)的理論研究還遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。文獻(xiàn)[2-5]對(duì)柔性生態(tài)加筋擋土墻開展了一些試驗(yàn)研究、數(shù)值分析和理論研究，但工程設(shè)計(jì)一般用傳統(tǒng)的加筋土擋墻設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合浙江省交通科技項(xiàng)目(2013H27-4)和湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13C311)已有研究成果，分析了不同規(guī)范中加筋土擋墻基底應(yīng)力計(jì)算方法的差異，給出了柔性生態(tài)加筋擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算方法建議。

1柔性生態(tài)加筋擋土墻

柔性生態(tài)加筋擋土墻是通過加筋提高土體的強(qiáng)度和整體性，發(fā)揮支擋作用，同時(shí)可在擋墻墻面種植灌木、草本等植物，形成綠化的立體生態(tài)支擋系統(tǒng)[2]。與傳統(tǒng)的重力式擋土墻相比，柔性生態(tài)加筋擋土墻通過加筋土工合成材料提高土體的力學(xué)性能，具有整體性高、對(duì)地基適應(yīng)強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)有面板加筋土擋墻相比，柔性生態(tài)加筋擋土墻一般采用土工合成材料反包形成傾斜式墻面，沒有剛性面板，可以在面墻上植生綠化，形成工程景觀，實(shí)現(xiàn)路基深部土工合成材料加筋、淺表面植物根系加筋的時(shí)空耦合加筋護(hù)坡，隨植物根系的生長實(shí)現(xiàn)路基邊坡穩(wěn)定性增長的目標(biāo)。

目前柔性生態(tài)加筋擋土墻的結(jié)構(gòu)較多，其中以包裹式土工格柵加筋土擋墻(見圖1、圖2)、鋼絲網(wǎng)片類加筋土擋墻(如綠色加筋格賓擋墻，如圖3、圖4所示)、生態(tài)袋加筋土擋墻和土工格室加筋土擋墻等應(yīng)用較多[6]。

圖1　土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻結(jié)構(gòu)圖

圖2　土工格柵包生態(tài)袋加筋土擋墻

圖3　綠色加筋格賓單元

圖4　綠色加筋格賓擋墻

2柔性生態(tài)加筋擋土墻基底應(yīng)力分布規(guī)律

2.1工程背景

為了提高路基的穩(wěn)定性，減少耕地占用并提高工程建設(shè)的生態(tài)環(huán)保功能，紹諸高速公路K38+325～K38+485路段采用了綠色加筋格賓擋土墻，其斷面設(shè)計(jì)見圖5。該擋墻高10.62 m，由13層層高為0.76 m的綠色加筋格賓單元組成，墻面坡比為1:0.466。

2.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

該擋土墻建造時(shí),筆者結(jié)合科研需要在擋墻內(nèi)第2、6、10層筋材下方埋設(shè)了土壓力盒。布置時(shí)沿筋長方向每隔1.3m布置一個(gè)，每層5個(gè)，共計(jì)15個(gè)土壓力盒，并隨施工進(jìn)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)土壓力的變化[3]，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5、圖7。分析可知，墻內(nèi)豎向土壓力隨上方填土高度增加而增大，沿筋長方向呈非線性分布，由于墻面傾角的卸荷作用，綠色加筋格賓擋墻墻面附近的豎向土壓力最小。

圖5　綠色加筋格賓擋墻斷面設(shè)計(jì)圖

圖6　第二層筋材處的豎向土壓力分布圖

圖7　第二層筋材處的豎向土壓力分布圖

圖8　第二層筋材處的豎向土壓力分布圖

2.3數(shù)值分析

由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，這里再進(jìn)行數(shù)值分析以便更好的了解墻內(nèi)豎向應(yīng)力的分布規(guī)律。根據(jù)圖5，采用FLAC3D建立如圖9所示的半路堤式分析模型，模型頂寬13 m，高20.62 m，長20m，沿路線方向取1米。路基填料及地基土體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，筋材采用FLAC3D自帶geogrid單元[7]模擬。巖土體、筋材及筋土界面參數(shù)見表1和表2。

圖9　加筋土擋墻分析模型

密度/(kg/m3)體積模量/MPa剪切模量/MPa粘聚力/kPa摩擦角/°填料196023×1034×1032521地基236033×1037×10318043

表2　筋材的力學(xué)參數(shù)

2.4結(jié)果分析

數(shù)值分析時(shí)先對(duì)地基進(jìn)行計(jì)算，平衡后再填筑路基。路基填筑完成后再在模型頂部施加10kN/m的等效車輛荷載。

數(shù)值分析取得了較多的數(shù)據(jù)，結(jié)合本文研究目的，僅取豎向應(yīng)力進(jìn)行分析。圖10為墻內(nèi)豎向應(yīng)力分布云圖。分析可知，數(shù)值分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)規(guī)律基本相同，加筋體部分的豎向應(yīng)力呈非線性分布，在面墻側(cè)較小，在筋長方向上隨深度增加豎向應(yīng)力增大。加筋體后的豎向土壓力基本上為均勻分布。將第1、3、5、7、9、11層筋材所在位置(相應(yīng)墻高為h=0、1.52 m、3.04 m、4.56 m、6.08 m、7.60 m)的豎向應(yīng)力導(dǎo)出，如圖11所示?？梢姡煌瑝Ω咛幍呢Q向土壓力分布規(guī)律基本相似，均為面墻側(cè)小、筋材末端大，基本上都可以簡(jiǎn)化為兩段式折線型，且第一段折線(面墻側(cè))的斜率大，第二段斜率小；隨著墻高增加，面墻側(cè)與筋材末端間的豎向土壓力差值減小。

豎向土壓力的這種分布特點(diǎn)主要受三方面的影響所致：一是柔性生態(tài)加筋擋土墻的墻面有一定的傾角，類似一邊坡，坡面?zhèn)鹊呢Q向壓力小于內(nèi)部壓力；二是柔性生態(tài)加筋土擋墻采用柔性筋材反包形成墻面，墻面剛度較小，易產(chǎn)生變形，有明顯的卸荷作用；三是結(jié)構(gòu)為柔性體，與傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)相比，整體剛度小，墻后土壓力形成的力矩作用不明顯，豎向土壓力主要來自上覆土體與墻頂荷載。

σvmax≈γh

(1)

圖10　豎向應(yīng)力分布云圖

圖11　不同層位豎向土壓力的分布曲線

3柔性生態(tài)加筋擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算方法

3.1加筋土擋墻豎向應(yīng)力的常用計(jì)算方法

豎向應(yīng)力計(jì)算是加筋土擋墻設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，涉及筋材的抗拔力計(jì)算和地基承載力計(jì)算等內(nèi)容?，F(xiàn)有的分布理論主要有三種：均勻分布、梯形分布、梅耶霍夫(簡(jiǎn)稱梅氏)分布。

一般在筋材抗拔力計(jì)算時(shí)認(rèn)為豎向應(yīng)力為均勻分布，但現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不支持這一觀點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)同樣具有許多不確定性。因此，一些專家認(rèn)為考慮到墻后土壓力作用的影響，豎向應(yīng)力為梯形分布[8]。在地基承載力驗(yàn)算時(shí)一般將加筋體看作剛體，等效為重力式擋土墻。

重力式擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)中偏心受壓桿件的應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

(3)

(4)

規(guī)范還要求，對(duì)于土質(zhì)地基偏心距不應(yīng)大于B/6，即要求不出現(xiàn)基底與地基土脫離現(xiàn)象，對(duì)于巖地基偏心距不應(yīng)大于B/4。

梅氏分布也考慮了加筋體后填土壓力的影響，用L-2e(e為豎向合力的偏心距)代替拉筋長度L，假定在L-2e的長度上豎向應(yīng)力為均勻分布，如圖12所示。

圖12　豎向應(yīng)力梅氏分布

(5)

可見，兩種方法的基底最大應(yīng)力都與偏心距有關(guān)，隨偏心距的增大而增大，兩者都要求偏心距應(yīng)小于B/6。

(1)公路規(guī)范法

此時(shí)，基底應(yīng)力為三角形分布，最小應(yīng)力為0。

(2)梅氏法

可見公路規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果較梅氏法大。

3.2不同計(jì)算方法的對(duì)比

柔性生態(tài)加筋土擋墻是由土工合成材料與呈顆料狀的填土構(gòu)成的復(fù)合體，為一柔性結(jié)構(gòu)，與剛體假設(shè)差別較大；而且柔性生態(tài)加筋擋土墻多采用等長布筋，受墻面傾角影響，當(dāng)?shù)刃橹亓κ綋鯄r(shí)，相于一俯斜式擋土墻，墻后土壓力的豎向分量較小，基底合力的偏心距多為負(fù)值，基底豎向應(yīng)力主要來自填土自重與墻頂附加荷載。有必要進(jìn)一步對(duì)比不同方法間差別，提出符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的基底應(yīng)力計(jì)算方法。

以3.1中的綠色加筋格賓擋墻為例，分別采用公路規(guī)范法、梅氏法和填土重力法進(jìn)行計(jì)算，并與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。首先建立如圖13所示的計(jì)算模型，G=1449.63kN/m，按庫侖理論計(jì)算加筋體后土壓力得EX=216.51kN/m，Ey=5.63kN/m，P=59.83kN/m，χG=5.39m，χp=8.96m，χEX=3.71m，yEy=8.73m，可計(jì)算得偏心距e=-1.51m，再分別采用不同方法計(jì)算基底最大豎向應(yīng)力，并以數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算不同方法的相對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　不同方法計(jì)算的基底最大豎向應(yīng)力

可見，公路規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果最大，梅氏法的計(jì)算結(jié)果與重力法相當(dāng)，均比數(shù)值法略大。由于梅氏法考慮到了基底合力偏心距的影響，而且加筋確實(shí)可以提高加筋區(qū)整體性的實(shí)際，故建議采用梅氏法計(jì)算柔性生態(tài)加筋擋土墻的基底應(yīng)力。

圖13　基底應(yīng)力計(jì)算圖

4結(jié)語

本文通過數(shù)值分析和理論研究，對(duì)柔性生態(tài)加筋擋土墻的豎向應(yīng)力分布規(guī)律和基底應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行了研究，主要結(jié)論有：

(1)柔性生態(tài)加筋擋土墻墻內(nèi)的豎向應(yīng)力呈非線性分布，在面墻較小筋材末端較大，加筋體后水平土壓力的力矩作用不明顯，墻內(nèi)豎向應(yīng)力主要來自填土自重與墻頂附加荷載。

(2)柔性生態(tài)加筋擋土墻的加筋體是柔性結(jié)構(gòu)，與理論剛性體有明顯差別，基底應(yīng)力分布規(guī)律與《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)建議計(jì)算方法有較大差異。

(3)綜合考慮加筋體的力學(xué)特性和現(xiàn)有設(shè)計(jì)習(xí)慣，建議采用梅氏應(yīng)力法計(jì)算柔性生態(tài)加筋擋土墻的基底應(yīng)力。

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Study on The Basal Stress Calculation Method of Flexible

Eco-reinforced Retaining Wall

SONG Jing-xiao1, WANG Jian-qun2,LIU Ze3,LIAO Wei- dong4

(1.Shengzhou City Highway Administration Bureau, Shengzhou 312400,China;

2.Quzhou City Traffic Engineering Quality Safety Surveillance, Quzhou 324000,China;

3. School of Building, Hunan University of Science and Technology Hunan, Xiangtan 411201,China;

4. Lishui City Haiwei Engineering Technology Co. Ltd.,Lishui 323406,China)

Abstract:Basal stress calculation is one of the important contents of retaining structure design. After anglicized the structure characteristic of the flexible eco-reinforced earth retaining wall, its vertical stress distribution was studied by numerical analysis and theoretical study, and the differences of calculation methods were contrasted, then a method for basal stress calculation was recommended. Research shows that: the base pressure distribution of flexible eco-reinforced earth retaining wall is nonlinear, which near the wall face is smaller than that near the reinforcement end, the torque effect after reinforcement of horizontal earth pressure is not obvious, the calculation method based on Meyerhof theory is recommend.

Key words:flexible eco-reinforced retaining wall; basal stress; calculation method; design

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

作者簡(jiǎn)介：徐進(jìn)(1984-)，男，四川廣元人，助教，碩士，E-mail：33084998@qq.com。

收稿日期：2014-10-30

文章編號(hào)：1671-234X(2015)01-0022-06

中圖分類號(hào):TU471?

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.01.006