圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值分析

張　明，任　亞，賈　斌

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢430051；2.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200063）

圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值分析

張明1，任亞1，賈斌2*

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢430051；2.華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200063）

在山區(qū)高陡邊坡上修筑路堤面臨諸多問題，文章介紹了采用圬工重力式擋墻與土工格柵加筋土擋墻組合結(jié)構(gòu)解決這一問題的方法和手段。試驗(yàn)段研究和基于監(jiān)測成果的數(shù)值分析表明：在圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)中，下部圬工擋墻相當(dāng)于上部加筋土擋墻的基礎(chǔ)，加筋土擋墻是圬工擋墻的附加荷載，圬工擋墻嵌入基巖十分必要；這一組合支擋結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜多變的工程地質(zhì)條件，技術(shù)靈活可控；在加筋土擋墻的諸多參數(shù)中，層間距對(duì)擋墻變形具有顯著影響，應(yīng)加以限制，而從抗拔穩(wěn)定角度看，加筋長度達(dá)到0.6倍的墻高即可。

加筋土擋墻；圬工重力式擋墻；組合擋土結(jié)構(gòu)；現(xiàn)場試驗(yàn)；數(shù)值分析；層間距

0　引言

山區(qū)地貌形態(tài)多樣，地形起伏陡峭，構(gòu)造復(fù)雜，巖土構(gòu)成多變，使山區(qū)復(fù)雜條件下高等級(jí)公路、鐵路建設(shè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。盡管隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的發(fā)展，山區(qū)道路建設(shè)中橋梁與隧道的應(yīng)用越來越多，但受各種客觀條件的限制，如受環(huán)境保護(hù)和填挖平衡的控制，高路堤在國內(nèi)外山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中仍然是通行的做法。

在山區(qū)高陡邊坡上建造填方路堤，不僅施工場地狹小，施工難度大，而且經(jīng)常面臨路基穩(wěn)定性問題。為了保證路基的穩(wěn)定性，山區(qū)填方路基施工往往與支擋結(jié)構(gòu)形影不離。在各種支擋結(jié)構(gòu)中，土工合成材料加筋土擋墻（陡坡）在投資、施工便利性和環(huán)境協(xié)調(diào)性等方面都具有很大的優(yōu)勢，一般都能夠很好地解決山區(qū)道路填方路基的建造問題。

但是，土工合成材料加筋土擋墻在造價(jià)方面的優(yōu)勢隨著填方高度增加將逐漸喪失，這是因?yàn)榘凑宅F(xiàn)行設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，加筋材料的用量（加筋長度）和加筋材料的強(qiáng)度都與填方高度成正比。同時(shí)，實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)在山區(qū)邊坡上修建填方路基時(shí)，如采用加筋土擋墻，加筋長度也會(huì)受到巖質(zhì)邊坡的限制，出現(xiàn)短加筋的情形[4-5]，使問題變得更加復(fù)雜。

針對(duì)這些特殊情況，提出了圬工（重力式）擋墻與加筋土擋墻上下疊置、組合使用的支擋結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究工作[6]。本文依托湖北省十堰至房縣高速公路建設(shè)工程，通過試驗(yàn)段的施工監(jiān)測，對(duì)這種組合式擋土結(jié)構(gòu)的工作性狀進(jìn)行分析。在現(xiàn)場試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，利用Plaxis軟件，對(duì)加筋土擋墻的加筋層間距進(jìn)行了參數(shù)分析，可為類似工程的應(yīng)用提供借鑒。

1　現(xiàn)場試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)段概況

湖北省十堰至房縣高速公路第5合同段GK0+ 308—GK0+463段位于丹江口市官山鎮(zhèn)附近，長約155 m，路面高程位于半山腰，原山坡坡度介于25?！?0。之間，一側(cè)臨河，場地狹小，技術(shù)選擇受限。經(jīng)多方案綜合比較分析，結(jié)合旅游區(qū)生態(tài)保護(hù)的要求，選擇圬工擋墻+加筋土擋墻的組合式支擋結(jié)構(gòu)（見圖1）。即先在下部修筑圬工重力式擋墻，然后在圬工擋墻之上建造土工合成材料加筋土擋墻。

圖1　組合式擋土結(jié)構(gòu)及監(jiān)測布置Fig.1 Layout of com posite structure and monitoring sensors

根據(jù)試驗(yàn)段的工程地質(zhì)條件，下部圬工重力式擋墻依山勢而建，坡度1∶0.25，高度2.13～ 15.61m不等。擋墻基底嵌入基巖，現(xiàn)場澆筑，墻后就地取材，填筑壓實(shí)殘坡積土和含礫粉質(zhì)黏土。在圬工擋墻之上修建土工格柵加筋土擋墻，向內(nèi)錯(cuò)臺(tái)1m，坡度1∶0.25，土工格柵的層間距50 cm。采用土工格柵返包柔性墻面，返包長度1 m，墻面填土植生袋，以利于生態(tài)護(hù)面。試驗(yàn)段中間段落的加筋土擋墻高度H=11 m，加筋長度9 m，按公路路基設(shè)計(jì)要求在墻頂填筑1 m厚無筋、坡度為1∶1.5的路基填土，見圖1所示組合擋土結(jié)構(gòu)形式。

加筋土擋墻的填土同樣采用含礫粉質(zhì)黏土，根據(jù)勘察資料并綜合考慮，其內(nèi)摩擦角取為38。，黏聚力取0 kPa。

試驗(yàn)段的中間段落也是本次重點(diǎn)研究的段落，由于采用了2種加筋材料（HDPE拉伸格柵和PET焊接格柵），在試驗(yàn)段設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測斷面，布設(shè)的監(jiān)測元件包括土壓力計(jì)、柔性位移計(jì)和帶沉降磁環(huán)的測斜管，如圖1所示。

在圬工重力式擋墻（包括墻后填土）施工完畢后，按監(jiān)測方案要求，于2013年4月6日開始對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行施工期監(jiān)測，至7月15日結(jié)束，歷時(shí)101 d。并于12月7日對(duì)試驗(yàn)段回訪（見圖2），進(jìn)行了0.5 a后的工后監(jiān)測。目前十方高速公路已通車1 a多，該試驗(yàn)段已經(jīng)過兩個(gè)雨季，組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)行良好。

圖2　試驗(yàn)段竣工0.5 a后的照片F(xiàn)ig.2 Photo ofpilotsection half a year after completion of construction

圖3　豎向土壓力監(jiān)測結(jié)果Fig.3 M onitored resu ltsof verticalear th p ressure

本文將依據(jù)HDPE土工格柵加筋土擋墻斷面的監(jiān)測結(jié)果，分析圬工與加筋土組合式擋土結(jié)構(gòu)的工作性狀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行影響因素的數(shù)值模擬。

1.2監(jiān)測結(jié)果與分析

鑒于下部現(xiàn)澆圬工重力式擋墻基底嵌入基巖，同時(shí)觀測結(jié)果也顯示，在加筋土擋墻施工期間圬工擋墻的墻趾和墻頂均無明顯變化，因此認(rèn)為在此試驗(yàn)段中，下部圬工擋墻相當(dāng)于加筋土擋墻的剛性基礎(chǔ)，但不同的是加筋土擋墻后半部分位于墻后填土之上（見圖1）。

加筋土擋墻的監(jiān)測結(jié)果表明，施工期擋墻任一高度處的水平位移與其上的填筑高度成正比，主要是施工碾壓和上部荷載引起的；如從下往上逐步累積，水平位移最大值在墻頂，為76 mm，約為加筋土擋墻墻高（11m）的0.69%；施工結(jié)束后逐步收斂，趨于穩(wěn)定。

與土力學(xué)常識(shí)一致（見圖3），加筋土擋墻內(nèi)的豎向土壓力隨填筑高度增大而增大，但是顯示兩個(gè)特點(diǎn)：1）在同一高度，靠近墻面處的土壓力略小于擋墻內(nèi)部的土壓力；2）當(dāng)填土高度較小時(shí)，測得的土壓力略小于γh（γ為填土重度，取20 kN/m3；h為土壓力計(jì)之上的填土厚度），而當(dāng)填土高度較大時(shí)，測得的土壓力略大于γh。分析認(rèn)為，前者主要受臨空面的影響，這與計(jì)算土中自重應(yīng)力時(shí)假定的半無限空間不同；后者應(yīng)該是受施工碾壓后土中殘余應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)填土不厚時(shí)，碾壓引起的預(yù)應(yīng)力會(huì)很快消失，只有填土較厚時(shí)，碾壓引起的預(yù)應(yīng)力才能夠部分地保留在土中。

監(jiān)測結(jié)果顯示，墻后（加筋土體后）水平土壓力與朗肯主動(dòng)土壓力很接近，但在加筋土擋墻最下部一定范圍內(nèi)，由于受邊界的影響小于主動(dòng)土壓力。

各層土工格柵應(yīng)變的監(jiān)測結(jié)果具有相似的規(guī)律性，圖4是第6層筋材（墻高2.5 m處）的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果。從中可以看出，隨著填土高度的增加，筋材應(yīng)變隨之增大，最大值為1.22%，發(fā)生在填筑完成時(shí)最靠近墻面處。由于采用返包柔性墻面，無論填土高度是多少，靠近墻面處應(yīng)變最大，越往墻內(nèi)應(yīng)變遞減，筋材尾部（6.5 m以后）的應(yīng)變基本不隨填高變化。這一結(jié)果也證明試驗(yàn)段的加筋土擋墻的加筋長度有些保守，對(duì)于高度H=11 m的加筋土擋墻，僅從擋墻抗拔穩(wěn)定性角度考慮，沒有必要設(shè)計(jì)采用9m（0.82H）長的加筋材料。

圖4　第6層（2.5m處）筋材應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitored resultsofstrain of geosynthetics (Layer No.6)

2　數(shù)值分析

2.1數(shù)值模型的建立

以圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段（剖面圖見圖1）為對(duì)象，在現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基礎(chǔ)上，采用PLAXIS軟件建立其2D數(shù)值模型。該軟件是成熟的在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的有限元分析平臺(tái)，國內(nèi)外很多學(xué)者[7-9]采用它模擬研究土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)。

研究對(duì)象由巖體（即中風(fēng)化及以下巖體）、回填土、片石混凝土和土工格柵4種材料構(gòu)成。其中巖體、片石混凝土采用摩爾-庫倫模型；由于土工格柵通常情況下只承受拉力，土工格柵采用程序內(nèi)置的土工格柵單元；回填土采用Hardening-Soil模型進(jìn)行模擬。筋土之間設(shè)置界面單元，通過界面強(qiáng)度折減因子Rinter來考慮筋土之間的摩擦作用，一般應(yīng)小于1.0，這里取Rinter=0.9。作為彈性體，土工格柵的軸向剛度取1.2×104kN/m，極限軸力為90 kN/m。其他介質(zhì)材料的模型參數(shù)列于表1。

表1　各介質(zhì)的模型參數(shù)表Table 1 M odeling param etersof differentmedia

在圬工與加筋土組合式擋墻2D有限元模型中共有3個(gè)邊界需要定義。在模型下邊界施加水平和豎直兩個(gè)方向的0位移約束，在模型左、右邊界均施加水平方向0位移約束。為了避免邊界效應(yīng)，設(shè)定模擬對(duì)象兩側(cè)的計(jì)算域不小于3倍墻高，下部計(jì)算范圍不小于1倍墻高。在計(jì)算域內(nèi)采用15節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?nèi)切螁卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)土工格柵周邊的網(wǎng)格進(jìn)行加密，土工格柵與填土之間設(shè)置界面單元連接。

模擬步驟按施工順序進(jìn)行，除巖土地應(yīng)力平衡外，依次模擬巖體開挖、修筑片石圬工擋土墻、墻后填土壓實(shí)及分層修筑加筋土擋墻。

圖5和圖6分別為加筋土擋墻水平位移和筋材應(yīng)變模擬結(jié)果與實(shí)測值的對(duì)比曲線。從圖中可知，加筋土擋墻水平位移模擬結(jié)果與實(shí)測值非常吻合，第6層筋材應(yīng)變的模擬結(jié)果也與實(shí)測值趨勢一致。

圖7為圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力云圖，從中可以看出在上部加筋土擋墻（荷載）作用下，圬工擋墻墻趾處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，擋墻上部后沿也由于片石混凝土與墻后填土巨大的剛度差異而受到較大的剪應(yīng)力。這一結(jié)果說明了上部加筋土擋墻對(duì)下部圬工擋墻的影響，也證明了把圬工擋墻嵌入基巖的必要性。

圖5　加筋土擋墻水平位移模擬結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of field datawith numerical resultsof lateral deformation of geosynthetic-reinforced retainingwall

圖6　加筋土擋墻筋材應(yīng)變模擬結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比曲線Fig.6 Com parison of field data w ith num erical resultsof strain of geosynthetics in geosynthetic-reinforced retaining wall

圖7　組合擋土結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力云圖（局部放大）Fig.7 Shear stress distribution of com posite retaining structure(partially enlarged)

2.2層間距對(duì)加筋土擋墻的影響分析

利用上述組合式擋土結(jié)構(gòu)數(shù)值模型對(duì)加筋土擋墻的影響因素進(jìn)行參數(shù)分析，分析的參數(shù)包括加筋長度、筋材剛度和層間距。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然加筋土擋墻的變形均隨加筋長度、筋材剛度的增大而減小，但只要加筋長度超過0.5H（H為加筋土擋墻墻高），其影響逐漸遞減，筋材剛度也并非敏感因子。限于篇幅，這里只給出層間距的影響分析。

分別設(shè)置層間距為0.25 m、0.5 m和1.0 m，建立不同的圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。在數(shù)值模擬中，在墻頂施加20 kPa均布荷載，以模擬運(yùn)營期交通荷載下?lián)鯄Φ男袨樘匦?。模擬結(jié)果見圖8和圖9。從圖中可知，加筋土擋墻的沉降和水平位移均隨層間距的增大而增大，特別是當(dāng)層間距從0.5m增加到1.0m時(shí)，沉降和位移明顯增大，擋墻有破壞的危險(xiǎn)。這一結(jié)果證明了層間距是加筋土擋墻工作性能的重要影響因素，應(yīng)限制在一定的范圍內(nèi)，這與相關(guān)規(guī)范提出的層間距不宜超過0.6m的建議是一致的[3]。

圖8　層間距對(duì)加筋土擋墻沉降的影響Fig.8 Influenceof verticalspacing of geosynthetic reinforcem entson settlement

圖9　層間距對(duì)加筋土擋墻水平位移的影響Fig.9 Influence of ver tical spacing of geosynthetic reinforcementson lateraldeformation of geosynthetic-reinforced retaining w all

3　結(jié)語

本文論述了在十方高速公路建設(shè)中開展的圬工與加筋土組合擋土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的數(shù)值模擬分析的結(jié)果，從中可以得到如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)段的結(jié)果表明，圬工重力式擋墻與土工格柵加筋土擋墻的上下組合結(jié)構(gòu)可以靈活地適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜地形等工程地質(zhì)條件，解決山區(qū)陡坡上路基的填筑問題。

2）在這一組合結(jié)構(gòu)中，下部圬工擋墻相當(dāng)于上部加筋土擋墻的剛性基礎(chǔ)，而加筋土擋墻則是重力式圬工擋墻的墻頂附加荷載。下部圬工擋墻的穩(wěn)固至關(guān)重要，采用現(xiàn)場開挖和澆筑，把基礎(chǔ)嵌入基巖是必要的。

3）筋材應(yīng)變的監(jiān)測結(jié)果證明，0.6H（H為墻高）的加筋長度能夠滿足抗拔穩(wěn)定性要求，過長的加筋材料沒有必要；加筋土擋墻的參數(shù)分析表明，層間距才是加筋土擋墻變形的重要影響因素，限制在一定的范圍內(nèi)是合理的。

[1]GB 50209—98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]. GB 50209—98,Technicalstandard for applications of geosynthetics[S].

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Field experiment and numerical analysis of com posite retaining structure ofmasonry wall and reinforced soilwall

ZHANGMing1,RENYa1,JIA Bin2*
（1.Communication Planningand Design InstituteofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430051,China; 2.EastChina Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai200063,China）

Highway embankment constructed on a steep slope inmountainous area will facemany challenges.One technique comprising of amasonry gravity wall and a geogrid reinforced soil wall was introduced to solve the problems.The following results can be drawn from the field experiment and numericalmodelling based on sitemonitoring.In the composite retaining structure,the lowermasonry gravitywallactsas the solid foundation of reinforced soilwalland the upper reinforce soilwall isa surcharge for the masonry wall,so the lower masonry wall is necessary to cast into the bedrock.This composite retaining structure is flexible and controllable,and can easily adapttothe complicated engineering geologic conditions in mountainous area.Among the parameters of reinforced soilwall,the vertical spacing of reinforcements has a remarkable effect on the wall deformation,and should be controlled in a limited range,however from the view of pullout resistance,it is enough for the reinforcement length reaching 0.6 thewallheight.

reinforced soil wall;masonry gravity wall;composite retaining structure;field experiment;numerical analysis; vertical spacing

U655.54

A

2095-7874（2016）06-0019-06

10.7640/zggw js201606005

2016-02-25

湖北省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2011-700-3-42）

張明（1972—），男，湖北武漢市人，高級(jí)工程師，主要從事路基路面工程的設(shè)計(jì)與研究工作。

賈斌，E-mail：jiabintj@163.com