加筋土擋土墻失穩(wěn)特征及內因研究

尤楊

加筋土擋土墻是利用加筋土技術修建的一種支檔結構物，加筋土是一種在土中加入拉筋的復合土，它利用拉筋與土之間的摩擦作用，改善土體的變形條件和提高土體的工程性能，從而達到穩(wěn)定土體的目的，加筋土擋土墻一般適用于地形較為平坦且寬敞的填方路段。本論文以失穩(wěn)的G104界河立交橋加筋土擋土墻為具體研究對象，通過數(shù)值模擬計算和理論研究分析不同動載荷作用下加筋土擋土墻的失穩(wěn)特征以及失穩(wěn)的內在原因。

1.工程背景

山東省G104界河立交橋位于山東省滕州市境內，該橋建成于1990年10月，立交橋兩端接線采用加筋土擋土墻技術構建。南北兩端引橋寬14m，引橋北端長256m，平均坡度1：27；引橋南端長372m，平均坡度1：37，引橋最高處達12.81m。在建成初期，加筋土擋土墻即出現(xiàn)輕微的墻體外鼓現(xiàn)象，從1997年起，墻體外鼓現(xiàn)象逐漸加劇，至2000年6月，最大相對位移量達100mm，絕對值超過200mm，路面局部發(fā)生縱向開裂，兩側護欄內傾，頂部面板局部脫落，墻體出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并有進一步加劇的趨勢。

2.計算模型及相關參數(shù)

本文重點研究不同動載荷對擋土墻的影響，以及動載荷作用下?lián)跬翂Φ钠茐臋C理。加筋土擋土墻的計算模型寬26m，其中包括14m的快車道和兩側各寬6m的慢車道，擋土墻的高度按剖面的最高高度選取為12m，對應的計算模型高度為17m，圖1給出了擋土墻的計算簡圖。鋼帶采用3號鋼，間距0.5m。

本文研究中動載荷按兩種極端情況考慮：

（1）對稱動載荷：4輛30噸載重汽車平行同時作用在計算剖面上，載荷集度為40kN/m；

（2）非對稱動載荷：路面一側有2輛30噸載重車并行同時作用在計算剖面上，載荷集度為40kN/m。

動載荷頻率30Hz，動載荷系數(shù)為1.5，動載荷在單位剖面上作用時間為0.13s，動載波形成正弦波，圖2給出了路面模擬動載荷變化頻譜特性曲線。

本研究運用美國明尼蘇達大學和美國Itasca Consulting Group Inc.開發(fā)的二維有限差分計算程序FLAC2D （Fast Lagrangian Analysis of Continua）進行計算，擋土墻填土按照莫爾-庫倫準則考慮。

現(xiàn)場地質調查表明，加筋土擋土墻內填土主要有混砂亞粘土和粉質砂土組成，根據現(xiàn)場取樣的土力學實驗結果，加固前填土的力學參數(shù)見表1。

3.加筋土擋土墻失穩(wěn)特征及失穩(wěn)原因分析

（1）通過數(shù)值模擬計算結果，可以得出對稱動載荷作用下?lián)跬翂Φ淖冃我约捌茐奶卣鳎?/p>

（a）墻體受力變形是一個時間和空間過程，載荷傳遞是由上向下傳遞，由于墻體不是理想狀態(tài)下的彈性體，隨著時間增加墻面變形逐步積累，同時向墻體中下部擴展。對稱動載荷作用下，墻面的水平變形特征是墻體中上部大于下部（圖3-圖4）。當動載荷作用結束后，由于墻體內部可能發(fā)生瞬間失穩(wěn)，在墻趾2-4m處墻面出現(xiàn)水平變形增加的現(xiàn)象。

（b）墻面變形特征與墻體內部受力狀態(tài)有本質上的聯(lián)系。在動載荷作用下墻體上部呈拉裂破壞，墻面變形是拉破裂區(qū)在側向分離造成的結果；在墻體中部，墻面變形由中心拉破裂變形和墻體邊緣塑性變形疊加而成；在墻趾處，墻面變形是墻體內部共軛剪切破壞帶的剪切滑移而造成，但此處變形由于受基礎的約束一般不易出現(xiàn)（圖5）。

（2）通過數(shù)值模擬計算結果，可以得出非對稱動載荷作用擋土墻的變形以及破壞特征：

（a）在非對稱載荷作用下，擋土墻變形的最主要特征是墻體向受載荷一側傾斜變形加劇，非受載荷側墻體也出現(xiàn)少量水平移動，同時在墻體上部出現(xiàn)位移場“倒轉”現(xiàn)象，路面向上略微翹起，現(xiàn)場觀察到的護欄內傾即由此而引起（圖6）。

（b）在非對稱動載荷作用下，擋土墻主要在墻趾處出現(xiàn)了剪切破壞，載荷作用的一側破壞范圍明顯大于沒有載荷的一側，擋土墻在非對稱載荷作用下會出現(xiàn)墻體外傾現(xiàn)象（圖7）。

（3）影響擋土墻穩(wěn)定的主要因素是路面動載荷作用。動載荷特征一般表現(xiàn)為作用時間短，頻率高，載荷增加梯度大。加筋土擋土墻的加筋材料為增阻遲緩的柔塑性體，在動載荷作用下增阻速度滯后，不能及時提供阻力以抵御動載荷對土體的破壞作用。在許多情況下，拉筋失效并非本身強度不夠，而是增阻速度不及動載增力的速度，導致土體變形超限而破壞。

（4）從加筋土擋土墻變形和破壞形態(tài)看，由于本身的結構缺陷，本身即存在初始塑性變形區(qū)，在動載荷作用下極易誘發(fā)原有塑性區(qū)進一步擴大和發(fā)展。隨著時間積累以及變形結果疊加，勢必造成加筋土擋土墻內部出現(xiàn)整體和永久性的變形與破壞。

正是由于擋土墻墻體本身存在上述缺陷，在動載荷作用下，墻體一旦發(fā)生破壞就是大規(guī)模的，因此，對失穩(wěn)加筋土擋土墻的加固必須是整體性的，既要考慮控制破壞變形強制措施，又要考慮增加土體強度。

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