軟土地基上加筋土擋墻的性能及其影響因素

何燕清，陳福全

(1.福州大學至誠學院，福建福州　350000；2.福州大學 土木工程學院，福建福州　350108)

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軟土地基上加筋土擋墻的性能及其影響因素

何燕清1，陳福全2

(1.福州大學至誠學院，福建福州350000；2.福州大學 土木工程學院，福建福州350108)

摘要：采用有限元軟件Plaxis 建立模型，分析建造在軟土地基上的加筋土擋墻的變形特征、力學性能、加筋體應力應變分布規(guī)律；改變模型參數(shù)研究加筋土擋墻的各個組成部分對各項性能的影響，找出影響加筋土擋墻性能的關鍵因素。分析結果表明，加筋土擋墻性能受加筋長度、加筋間距、加筋體剛度影響較大，工程應用時應合理考慮加筋最佳長度、最佳豎向間距及最佳抗拉強度。

關鍵詞：加筋土擋墻；軟土地基；數(shù)值模擬

加筋土擋墻具有造價低、施工簡便、造型美觀、對地基要求不高、變形協(xié)調能力強等優(yōu)點，在國內外許多實際工程采用。對建造在剛性地基上的加筋土擋墻已經(jīng)做過很多試驗和理論上的研究。文獻[1]對南昆鐵路廣西田林站內一座新型鋼筋混凝土楔形拉筋加筋土擋墻進行了原型觀測。文獻[2]利用有限差分法對加筋土擋墻進行數(shù)值模擬。文獻[3]采用有限元方法計算并分析了超高三級加筋土擋墻的最大主應力等應力和塑性破壞區(qū)及其變形，將數(shù)值計算結果與相應離心模型試驗和現(xiàn)場調研進行對比。文獻[4-5]采用在模型上施加體力的加載方式，對加筋土擋墻進行不同程度的研究與理論分析。文獻[6]對鐵路路堤式加筋土擋墻的墻背水平土壓力、墻后土體垂直土壓力及加筋材料變形進行了現(xiàn)場原位試驗。文獻[7]采用有限元方法對鋪設可延長加筋材料的加筋土擋墻的破壞機理進行數(shù)值分析。文獻[8]研究返包式土工格柵加筋土高擋墻結構的受力、變形性能。文獻[9]利用巖土工程有限元軟件Plaxis分別對不同筋土界面摩擦力、筋帶軸向拉伸剛度、筋帶間距及筋帶長度4種情況進行了加筋土擋墻有限元強度折減計算。文獻[10]按照1:2.5的幾何比例設計了模型試驗箱，研究柔性加筋土擋墻在外部荷載下的工作性能。文獻[11]通過原位試驗和數(shù)值分析研究了墻角約束對加筋土擋墻的影響。

對建造在軟土地基或者易沉陷基礎上的加筋土擋墻性能研究還很有限，理論研究明顯滯后于工程應用。文獻[12]從變形、加筋體應力以及路堤高度3個方面入手，考慮軟土地基對這些因素的影響。文獻[13]采用有限元軟件模擬了建在10 m厚的軟土上高6 m的加筋土擋墻的工作性狀。文獻[14]針對建在軟土地基上的加筋土擋墻分別用FLAC2D 和FLAC3D建立了二維和三維模型。文獻[15]對建在粘土上的兩座加筋路堤進行了現(xiàn)場檢測試驗。文獻[16]用ABAQUS軟件建立雙級加筋擋土墻模型，指出相對于軟土地基，剛性地基能夠提供邊界約束從而限制水平變形的發(fā)展。文獻[17]針對沒有加筋的路堤、加筋一層的路堤、加筋兩層的路堤的擋土墻進行了試驗，采用Plaxis進行離心試驗模擬，并與試驗進行對比。文獻[18]對上海辰山植物園一座高7.6 m的加筋土擋墻進行了監(jiān)測，監(jiān)測內容包括墻體的水平位移和基底的應力分布情況。

由于地理因素以及自然氣候的影響，在我國的珠江三角洲和長江三角洲等區(qū)域軟土地基分布廣泛，所以不可避免會有擋土墻結構建造在軟土地基上。

本文采用有限元軟件Plaxis 建立模型，分析建造在軟土地基上的加筋土擋墻的性能，并詳細討論加筋土擋墻的各個組成部分對其性能的影響。

1模型建立及參數(shù)選擇

1.1幾何模型

圖1　加筋土擋墻Plaxis有限元模型

Plaxis程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件，應用性非常強，能夠模擬復雜的工程地質條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析。本文采用Plaxis8.5 建立模型，加筋土擋墻墻高為4 m，填土區(qū)域寬度35 m，地基土層厚16 m，表層為1 m砂質粘土，其下為15 m淤泥質土，地下水位位于地表下1 m處，擋墻底部設置0.5 m厚砂墊層。在基本模型中，加筋擋墻區(qū)域采用砂性土作為填土，加筋間距為0.5 m，加筋長度為6 m。模型底部邊界及兩側邊界均取在離加筋區(qū)域很遠處，有效避免了邊界對數(shù)值分析結果的影響。底部邊界完全固定，即在幾何模型底部施加完全固定約束，水平和豎直方向均固定；側邊界在水平方向固定，豎向自由，即在兩側豎直邊界施加滑動約束。模型如圖1所示。

1.2材料參數(shù)

擋墻面板采用線彈性板單元模擬，其抗拉剛度為3 150 MN/m，抗彎剛度為23.5 MN·m2/m，泊松比0.15。加筋體采用內置的土工格柵單元模擬，軸向剛度為3 000 kN/m。

為了模擬土工格柵與土之間在施工或運行過程中的相對滑動現(xiàn)象，應在土工格柵與土之間設置單元接觸面。Plaxis程序引入了界面單元的概念，加筋與土之間的應力傳遞取決于加筋-土的界面強度。界面單元的強度等于周圍土體的強度乘以土與界面單元的摩擦系數(shù)Rinter。

增大加載時土體的變形模量增大幕指數(shù)m按經(jīng)驗取值，對于無黏性土及堅硬黏土,m在0.5左右，通?？梢匀?.5；對于粘性土、軟土,m=0.6～1.0。卸載-重新加載的泊松比vur=0.2。除非是高度超固結土層，黏土根本無剪脹性(即剪脹角ψ=0)。

硬化土模型(HS)是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為的先進模型，在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時產(chǎn)生了不可逆的塑性應變。各土層具體材料參數(shù)見表1。

表1　各土層計算參數(shù)

注：Knc0=1-sinφ

2加筋土擋墻的性能

2.1變形特征

擋墻面板的側向位移是衡量穩(wěn)定、判別破壞的重要指標，面板的水平位移如圖2所示。墻面?zhèn)认蛭灰蒲貕Ω呓瞥示€性變化，下部較小，上部較大。墻趾處設有埋置于地表以下的混凝土墊塊，限制了墻面板，故底部墻面?zhèn)认蜃冃屋^?。粔γ姘l(fā)生一定變形后，加筋擋墻中的土工格柵加筋體發(fā)揮作用，墻體趨于穩(wěn)定。

墻頂填土表面沉降隨距面板的距離分布曲線如圖3所示，可見隨距面板距離的增大，填土表面的沉降先增大后減小，在距面板1 m左右的位置沉降達最大。面板附近土體有側向變形，面板后的填土不斷補充前移的土體，推動了面板，故面板附近處豎向沉降較大。

圖2　墻面水平位移圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　墻頂沉降曲線

圖4　墻底沉降曲線

墻底地基表面沉降與距左側邊界距離的分布曲線如圖4所示，靠近墻面處的地基沉降量最大，即在擋墻趾部變形最大，大約為5 cm。這是因為，填土部分自重應力從加筋體和填土中轉移到墻面板，擋墻發(fā)生輕微旋轉增大了趾部的壓力。相比墻趾而言，墻前地表出現(xiàn)了輕微隆起的現(xiàn)象，墻后地表隨距擋墻面板的距離增大，沉降越來越小。

2.2力學特性

墻背水平土壓力沿墻高分布曲線見圖5，沿墻高基本呈三角形分布，隨墻高增大而減小，最大壓力出現(xiàn)在墻體下部，約為墻高的l/4處。圖5也說明了通過數(shù)值計算得到的墻背水平土壓力變化趨勢與朗肯土壓力理論基本吻合。

擋墻基底豎向應力隨距面板距離分布曲線見圖6，豎向應力小于擋墻的自重應力，很可能是因為加筋土擋墻的應力重新分布。墻趾處應力增大，靠近墻踵處應力減小，這主要是因為擋墻發(fā)生了輕微的旋轉，增大了墻趾處的應力及變形。由于填土和墻面板之間剪切和加固的聯(lián)合影響，部分豎向荷載轉移到面板，使得墻后豎向應力減小。

2.3筋材應變及拉力

為研究不同加筋層處筋材的應變及拉力隨面板距離的變化趨勢，根據(jù)計算結果繪出的曲線如圖7、8所示。其中，第1層加筋體是指距墻底0.5 m處，加筋間距0.5 m，以此類推，第2～8層加筋體分別距墻底1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m。由圖7可知，同一加筋層，拉伸應變在靠近面板處最大，沿加筋長度方向逐漸減??；各層加筋體應變分布規(guī)律一致。隨墻高增大，每層加筋體的應變都增大，但沿高度變化幅度較小。由圖8可知，沿長度方向，各層土工格柵拉力中間部分較大，兩端較小。在遠離面板方向端即加筋體末端均趨于穩(wěn)定。

圖5　墻背水平土壓力隨墻高分布曲線　　　　　　　　　　　圖6　基底豎向應力隨距面板距離分布曲線

圖7　各層土工格柵應變沿加筋長度分布曲線　　　　　　　　　　　圖8　各層土工格柵拉力沿加筋長度分布曲線

圖9　土工格柵最大拉力沿墻高的變化曲線

為優(yōu)化土工格柵設計，繪制土工格柵最大拉力沿墻高的分布曲線，如圖9所示。由圖9可見，在加筋土擋墻的中間高度部分，土工格柵受力較大，在底部和頂部處格柵的拉力較小。故在設計計算時，應加強加筋土擋墻中間部分的土工格柵，以保證整體穩(wěn)定性。

3參數(shù)影響分析

3.1加筋長度

設定加筋長度為8、6、4.8、4、3.2、2 m，相當于L/H分別為2.0、1.5、1.2、1.0、0.8、0.5，H是擋墻高度，L為加筋長度。分析結果如圖10～15所示。

由圖10、11可知，加筋長度越小，墻面板水平位移越大。加筋長度從0.5H加長到0.8H時，墻面水平位移及墻背水平土壓力均明顯減??；繼續(xù)增大加筋長度，二者變化幅度均較小。加筋需一定長度，從節(jié)約資源的角度，并非越長越好。

由圖12、13可知，加筋長度越小，墻頂最大沉降越大，墻趾處沉降亦越大。加筋長度較大時，墻頂最大沉降出現(xiàn)在距面板1.17 m左右的位置；加筋長度較小時，墻頂最大沉降發(fā)生在加筋體末端與非加筋區(qū)域交界處。

圖12　加筋長度對墻頂沉降的影響　　　　　　　　　　　　　圖13　加筋長度對墻底沉降的影響

圖14　加筋長度對第四層土工格柵應變的影響　　　　　　　圖15　加筋長度對第四層土工格柵拉力的影響

取第4層土工格柵分析，加筋長度越大，其應變越小。加筋長度從0.5 m加長到0.8 m時，應變明顯減??；從0.8 m增大到2.0 m時，應變減小幅度不大。加筋長度為2.0、1.5、1.2 m時，在加筋體末端處，拉力趨向于同一數(shù)值；加筋長度為1.0、0.8、0.5 m時，在加筋體中部出現(xiàn)最大拉力后，拉力迅速減小。

3.2加筋間距

設定加筋間距Sv=0.2、0.4、0.5、0.8、1.0 m，分析結果如圖16～19所示。

加筋間距越小，加筋越密，墻面?zhèn)认蜃冃尉叫?。加筋間距從0.4 m減小到0.2 m時，面板側向變形基本不變。減小加筋間距，使筋土相互約束作用更明顯，從而約束了土體的橫向發(fā)展；但過密的鋪設加筋層并不一定能產(chǎn)生期望的效用，應合理考慮加筋層的最佳豎向間距。

加筋間距的變化對墻背水平土壓力的影響較大，其沿墻高分布的曲線有所不同，但總體趨勢相同，仍呈上小下大，類似三角分布的形態(tài)。整體表現(xiàn)為：隨加筋間距的增大，墻背水平土壓力不斷增大；但無論采用何種加筋間距，墻背水平土壓力均分布在主動土壓力周圍，且小于靜止土壓力。

隨加筋間距減小，加筋體應變沿長度方向變化越平緩，拉力越小。在加筋體末端，各間距對應的加筋體拉力均趨于同一數(shù)值。

圖16　加筋間距對土工格柵應變的影響　　　　　　　　圖17　加筋間距對土工格柵拉力的影響

圖18　加筋間距對面板側移的影響　　　　　　　　　　圖19　加筋間距對墻背水平土壓力的影響

3.3筋材剛度

設定加筋體彈性軸向剛度EA=1 500、2 500、3 000、3 500 kN/m，分析結果如圖20～24所示。加筋體剛度越大，墻面板水平位移越??；加大筋材剛度對擋墻中上部墻面?zhèn)认蛭灰茰p小作用尤為明顯，墻趾處的側向位移幾乎不變。筋材剛度對擋墻墻背水平土壓力影響很小。不同筋材EA下，墻頂最大沉降均發(fā)生在距面板1.42 m左右的位置；拉筋抗拉強度越小，墻頂最大沉降越大。隨EA不斷增大，土工格柵應變隨之變小，拉力變大；在加筋體末端處，應變及拉力均趨于同一數(shù)值。

圖20　筋材剛度對面板側向位移的影響　　圖21　筋材剛度對墻背水平土壓力的影響　　圖22　筋材剛度對墻頂沉降的影響

3.4筋土界面強度

筋土界面強度折減系數(shù)Rinter越大，界面強度越大，設定Rinter=0.3、0.5、0.7、0.9，分析結果如圖25～28所示。界面強度越大，面板側移越小。在擋墻中下部，Rinter越小，墻背水平土壓力越大。Rinter越小，土工格柵應變越大。距擋墻面板3 m范圍內，隨Rinter減小而減?。辉诰鄵鯄γ姘?～6 m范圍內，土工格柵拉力隨Rinter減小而增大。

圖23　筋材剛度對土工格柵應變的影響　　　　　　　　　　圖24　筋材剛度對土工格柵拉力的影響

圖25　筋土界面強度對面板側移的影響　　　　　　　　　　圖26　筋土界面強度對墻背水平土壓力的影響

圖27　筋土界面強度對土工格柵應變的影響　　　　　　　　　　　　　圖28　筋土界面強度對土工格柵拉力的影響

3.5填土強度

取擋墻填土強度指標分別為c=1 kPa、φ=34°；c=10 kPa、φ=34°；c=23 kPa、φ=34°；c=10 kPa、φ=25°。計算結果如圖29、30所示，圖中的圖例，前一個數(shù)值表示填土粘聚力c/kPa，后一個數(shù)值表示內摩擦角φ/(°)。

隨填土粘聚力c增大，側向位移明顯減小。保持φ=34°不變，粘聚力c從1 kPa增大到10 kPa時，相應的墻面板最大側移分別為35.984、26.176 mm，減小了9.808 mm，減少了27.3%，可見適當提高填土粘聚力對增大擋墻整體性能起到極好的效果。

填土內摩擦角φ越大，側向位移越小。保持c=10 kPa不變，φ值從34°減小到25°時，面板最大側移增大了2.264 mm，增加了8.65%，填土內摩擦角對擋墻整體性能也有較大的影響。主要是因為土體內摩擦角的增大，減小面板背后土壓力，從而減小了側向變形。

當c很小時，面板側向位移較大，面板附近的土體下沉懸空，因此面板附近沉降量大。c越大，墻頂沉降越??；φ值對墻頂沉降影響不明顯。

圖29　填土強度對面板側移的影響　　　　　　　　　　　　　圖30　填土強度對墻頂沉降的影響

4結論

對建造在軟土地基上的加筋土擋墻性能及其影響因素進行了說明和討論，通過分析算例表明：

1)加筋土擋墻墻面?zhèn)认蛭灰蒲貕Ω呓瞥示€性變化，下部小，上部大；隨與擋墻面板間距的增加，填土表面的沉降先增大后減??；墻前地表出現(xiàn)了輕微隆起的現(xiàn)象，距擋墻面板越遠，墻后的地基沉降量越小。

2)加筋土擋墻墻背水平土壓力沿墻高基本呈三角形分布，隨墻高增大而減小；擋墻基底豎向應力小于擋墻的自重應力，墻趾處應力增大，靠近墻踵處應力減小。

3)同一加筋層，靠近面板處土工格柵拉伸應變最大，且沿加筋長度方向逐漸減小。各層土工格柵拉力沿加筋長度方向，中間較大，兩端較?。辉趽鯄Φ闹虚g高度部分土工格柵受力較大，底部和頂部處格柵的拉力較小，故設計計算時，應加強加筋土擋墻中間部分的土工格柵，以保證整體的穩(wěn)定性。

4)加筋長度越大，加筋間距越小，加筋體剛度越大，筋土界面強度越大，填土強度越大，墻面板水平位移越小。但應合理考慮加筋最佳長度、最佳豎向間距及最佳抗拉強度。

5)墻背水平土壓力受加筋長度、筋材剛度的影響較?。患咏铋g距越大，墻背水平土壓力越大。

6)加筋長度越小，筋材剛度越小，墻頂最大沉降越大。填土粘聚力越大，墻頂沉降越?。惶钔羶饶Σ两菍敵两涤绊懖幻黠@。

7)加筋長度越大，筋材剛度越大，筋土界面強度越大，其應變越??；加筋間距越大，筋材剛度越大，其拉力變大。

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(責任編輯：郎偉鋒)

The Performance of Reinforced Soil Retaining Wall on

Soft Foundation and Its Influencing Factors

HEYanqing1,CHENFuquan2

(1.ZhichengCollege,FuzhouUniversity,Fuzhou350000,China;

2.SchoolofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

Abstract:In this paper, the model of reinforced soil walls constructed on soft foundations is established by using finite element software Plaxis, then the deformation characteristics, mechanical properties of reinforced retaining walls, and the regularity of distribution in reinforcements′ strains and tensile forces are analyzed.The model parameters are changed to study the influence of all parts of the retaining wall on its various performance, and the key factors are found out. The analysis results show that reinforcement length, reinforcement spacing, geotextile stiffness give major influence on the performance of the retaining wall in engineering applications. Therefore, the reinforcement should be reasonably made by considering the best length, the best vertical distance and the best tensile strength.

Key words:reinforced soil retaining wall; soft soil foundation; numerical simulation

文章編號：1672-0032(2015)04-0047-09

中圖分類號：TU476.4

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.010

作者簡介：何燕清(1988—)，女，福建寧德人，助教，工學碩士，主要研究方向為土工數(shù)值分析.

收稿日期：2015-10-15