多級加筋土高擋墻的工程特性及影響因素

靳 靜，楊廣慶，王志杰，王 賀

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

加筋土擋墻的應(yīng)用對有效利用寶貴的土地資源有著重要的經(jīng)濟(jì)意義，它不僅能滿足工程上對擋墻直立和高度的要求，還可以節(jié)約占地、減少土石填方量，提高回填土整體穩(wěn)定性。近年來，我國鐵路路基相關(guān)技術(shù)規(guī)范加大了對加筋土擋墻的應(yīng)用推廣，例如TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》明確提出在城市、風(fēng)景區(qū)周邊及耕地保護(hù)區(qū)宜根據(jù)現(xiàn)場條件，采用懸臂式、扶壁式、L型及加筋土擋墻等輕型支擋結(jié)構(gòu)；地震區(qū)宜采用加筋土擋墻等柔性支擋結(jié)構(gòu)[1]。

高速鐵路以其快速、安全、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)勢成為現(xiàn)代交通的重要發(fā)展方向，高速鐵路加筋土擋墻也成為高速鐵路路基的重要組成部分。周健等[2]通過離心模型室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，得出了軟土地基包裹式加筋土擋墻的變形特性及其影響因素。蔣建清等[3]通過加筋土擋墻地震穩(wěn)定性的水平條分方法得出筋材拉力和所需筋材長度的計(jì)算公式，研究了填土內(nèi)摩擦角、水平和豎向地震加速度系數(shù)對筋材拉力及所需筋材長度的影響。周亦濤等[4]在現(xiàn)場對由L 型擋土墻與加筋土擋墻形成的3級加筋土復(fù)合式擋墻進(jìn)行了原位試驗(yàn)。周世良等[5]通過對每級高150 cm、寬75 cm的3級加筋土擋墻進(jìn)行模型試驗(yàn)，對該結(jié)構(gòu)的土壓力和潛在破壞面進(jìn)行了研究。林宇亮等[6]根據(jù)加筋筋材在擋墻中的受力特性并結(jié)合拉伸試驗(yàn)，研究了加筋土筋材在拉伸荷載作用下的力學(xué)特性及筋材約束變形方程。周應(yīng)華等[7]研究了多級加筋土擋墻內(nèi)部受力及變形規(guī)律。為了研究臺階式加筋土擋墻平臺寬度對下墻墻體垂直應(yīng)力大小及分布的影響，楊廣慶等[8]進(jìn)行多組不同平臺寬度的臺階式加筋土擋墻室內(nèi)模型試驗(yàn)。王龍飛等[9]通過有限元軟件Plaxis分析了多級土工格室柔性擋墻在不同級數(shù)、不同級寬度和每級墻高變化等工況下的變形特性。Yang等[10]等利用現(xiàn)場原型試驗(yàn)研究了雙級土工格柵加筋土擋墻施工期及竣工后1年半期間各級擋墻底部垂直土壓力、面板背部側(cè)向土壓力和筋材應(yīng)變分布規(guī)律。Yoo[11-12]結(jié)合5.6 m高雙級加筋土擋墻現(xiàn)場足尺試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了施工期及竣工后墻體應(yīng)力、墻面變形和筋材應(yīng)變。Liu等[13]對每級高3 m、寬1.2 m的3級加筋土擋墻的地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析。Song等[14]對軟土地基上5 m高2級模塊式墻面加筋土擋墻進(jìn)行了有限元分析，得到地基的屈服會影響下級擋墻的內(nèi)部和外部穩(wěn)定。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究的加筋土擋墻一般為2級和3級，但對于級數(shù)多于3級的多級加筋土高擋墻卻鮮見報(bào)道。

本文結(jié)合承德機(jī)場8級加筋土高擋墻工程展開現(xiàn)場原位監(jiān)測。對該加筋土高擋墻后土體垂直土壓力、墻背測向土壓力以及土工格柵筋材應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究。并且運(yùn)用PLAXIS2D軟件對多級加筋土高擋墻施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究筋材不同長度、筋材不同間距和填料不同內(nèi)摩擦角對多級加筋土高擋墻水平變形的影響。

1 現(xiàn)場原位監(jiān)測

1.1 填料

填料為級配不良的碎石土，顆粒分析曲線如圖1所示，圖中d為顆粒直徑。填料的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖1 碎石土顆粒分析曲線

表1 填料的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 土工格柵

土工格柵選用2種青島旭域土工材料股份有限公司生產(chǎn)的單向拉伸HDPE土工格柵，其幾何尺寸和力學(xué)特性見表2。

表2 土工格柵幾何尺寸和力學(xué)特性

1.3 加筋擋墻結(jié)構(gòu)型式、尺寸及儀器布置

加筋土擋墻采用塑料土工格柵加筋，墻面板采用漿砌塊石，厚度為1 m，墻后堆砌內(nèi)裝級配碎石土工袋作為擋墻排水措施，格柵與墻面板的連接方式如圖2所示。砌筑在基巖上的最下一級漿砌塊石擋墻，作為整個(gè)加筋擋墻的基礎(chǔ)，該加筋高擋墻共8級，下部7級為土工格柵加筋土擋土墻，第8級擋墻沒有加筋，為衡重式擋墻，每級擋墻高度如圖3所示。共鋪設(shè)60層土工格柵，其中，前38層為TGDG90土工格柵，鋪設(shè)長度26 m，層間距為0.5 m。第39層到60層后22層為TGDG130型土工格柵，鋪設(shè)長度24 m，層間距為0.7 m。選用了A4600，A4640和A4680共3個(gè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。

圖2 土工格柵與墻面板連接方式

圖3 設(shè)備布置圖(單位:m)

測試設(shè)備包括長沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的包括水平和豎向土壓力盒、柔性位移計(jì)等，測試元件參數(shù)見表3，測試設(shè)備布置詳見圖3，柔性位移計(jì)與土工格格柵的連接方式如圖4所示。

表3 現(xiàn)場測試設(shè)備參數(shù)

圖4 柔性位移計(jì)現(xiàn)場安裝布設(shè)情況

2 監(jiān)測結(jié)果和分析

通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各個(gè)斷面的情況基本一致，因而下文中墻后土體垂直土壓力和墻背側(cè)向土壓力及筋材應(yīng)變只選取1個(gè)測試斷面。

2.1 墻后垂直土壓力

在施工期間，隨著填土高度的增加，加筋擋墻后各層土體垂直土壓力沿筋長方向分布規(guī)律曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出：施工期間，每級加筋土擋墻墻后土體垂直土壓力分沿筋材長度方向呈非線性分布，且靠近前面板處的垂直土壓力較小，最大值出現(xiàn)在距離前面板較遠(yuǎn)處筋材中后部，同時(shí)最大值由0.5 MPa逐漸減少到0.2 MPa左右，降幅達(dá)到60%。這是因?yàn)?，垂直土壓力主要是由于填土高度、筋土之間摩擦力、墻面板水平變形和墻后水平土壓力共同影響的結(jié)果。多級加筋擋墻坐落于下級柔性擋墻之上，隨著下部墻體的逐漸壓密和墻面板的水平變形，筋土摩擦作用得到發(fā)揮。并且，由于上級擋墻作用于下部柔性擋墻之上，上級擋墻的重心隨擋墻級數(shù)的增加逐漸向中后部移動(dòng)。

圖5 不同填筑高度時(shí)墻內(nèi)垂直土壓力沿加筋方向分布

2.2 墻背側(cè)向土壓力

施工期間，每級加筋擋墻墻背側(cè)向土壓力隨填土高度變化而變化，如圖6所示。從圖6可以看出，墻背側(cè)向土壓力分布有如下規(guī)律。

(1)隨著擋墻填土高度的增加，各級擋墻墻背處的側(cè)向土壓力隨之增大，土壓力增長速率隨填土高度增加而遞減。其主要原因是填筑高度的增加，擋墻面板會逐漸發(fā)生水平位移而導(dǎo)致側(cè)向土壓力減小。同時(shí)由于墻面板與土工格柵連接而形成的網(wǎng)兜效應(yīng)也使得墻背側(cè)向土壓力有所減小。

(2)墻背側(cè)向土壓力沿墻高呈非線性分布，不同于郎肯主動(dòng)土壓力的直線分布。因?yàn)槔煽现鲃?dòng)土壓力是土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)下的土壓力，現(xiàn)場實(shí)測土壓力是土體處于工作狀態(tài)下的土壓力。同時(shí)，現(xiàn)場監(jiān)測的土壓力呈曲線分布，符合加筋土柔性擋墻的工程特點(diǎn)。

(3)同一填土高度不同級擋墻，土壓力逐漸增大，增長的速率由慢到快，從第1級到第5級相比第6級分別增長334%，180%，106%，70.6%和36.7%。這主要是由于隨著填土高度增加筋材對墻體拉力增大的作用效果。

2.3 土工格柵應(yīng)變

格柵的應(yīng)變主要發(fā)生在施工期間，土工格柵應(yīng)變沿筋方向分布如圖7所示。

從圖7中可以看出：

(1)筋材應(yīng)變在施工期間隨著填土高度的增加而增大，沿筋材長度方向呈非線性分布，且大部分出現(xiàn)雙峰值，第1個(gè)峰值靠近墻面板，是加筋體內(nèi)潛在破裂面所在的位置，第2個(gè)峰值則處于筋材的中后端，是加筋體整體受力而形成的。從總體看來應(yīng)變的變化不大，均在1%范圍內(nèi)。

圖7 土工格柵應(yīng)變隨填土高度變化曲線

(2)部分格柵應(yīng)變出現(xiàn)負(fù)值，最低值達(dá)到-0.5%，其主要原因是由于筋材處于受彎變形狀態(tài)。第9層和第53層出現(xiàn)先減小后增大，降幅均為0.9%左右，其主要是應(yīng)變最大值出現(xiàn)在墻面板附近，隨著格柵的鋪設(shè)，上部格柵的應(yīng)變最大值位置逐漸遠(yuǎn)離墻面板。

3 多級加筋土高擋墻數(shù)值模擬

3.1 本構(gòu)模型和材料參數(shù)

多級加筋土高擋墻的整個(gè)施工過程運(yùn)用PLAXIS2D軟件進(jìn)行分析，由于加筋土高擋墻沿縱向方向長度較大，縱向位移可忽略，可以用平面應(yīng)變模型模擬。在計(jì)算過程中，本構(gòu)關(guān)系采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，把地基和擋墻填土均看成彈塑性體，采用Mohr-Coulomb模型；墻面板采用5節(jié)點(diǎn)梁單元；土工格柵彈性模量取值1 825 MPa，本構(gòu)模型采用線彈性；筋材采用Geotextilea單元模擬，根據(jù)填料特性和PLAXIS計(jì)算手冊取筋材—土界面系數(shù)0.67。加筋擋墻的墻頂和面板設(shè)置為自由邊界，擋墻背部施加水平約束，擋墻基底施加水平和豎向約束。加筋擋墻每級臺階的填筑為1個(gè)工序，網(wǎng)格劃分如圖8所示，材料特性參數(shù)見表4。

圖8 擋墻網(wǎng)格圖

表4 土體材料參數(shù)

3.2 擋墻基底垂直土壓力分析

通過圖9擋墻基底壓力實(shí)測值與模擬值的對比分析，可以看出：兩者的分布規(guī)律與走向基本一致，驗(yàn)證了本構(gòu)模型參數(shù)選取的合理性。但是基底垂直土壓力曲線的前半段實(shí)測值稍大于模擬值，主要是由于墻背土壓力作用，其垂直方向分量分力造成基底壓力增加；基底垂直土壓力隨著距離墻面距離的增加，模擬值略大于實(shí)測值，由于實(shí)際土工格柵長度較短，所以在筋材尾部減載作用略有減小。

圖9 擋墻基底垂直土壓力對比

3.3 擋墻潛在破裂面分析

分析理論破裂面時(shí)把多級加筋土擋墻等效成單級加筋土擋墻研究其潛在破裂面。加筋土擋墻內(nèi)部實(shí)測破裂面為每層土工格柵最大應(yīng)變值的連線而成，在對實(shí)測格柵應(yīng)變值綜合分析的基礎(chǔ)上，確定出加筋土擋墻內(nèi)部破裂面，并且與理論和模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。由圖10可以看出：實(shí)測破裂面隨著擋墻高度的增加變化趨勢與數(shù)值模擬的破裂面基本一致，從而可以得出現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性較高，準(zhǔn)確性較強(qiáng)；加筋土擋墻實(shí)測和理論破裂面差異較大，主要是因?yàn)槔碚撈屏衙婕僭O(shè)為單級擋墻，以及填料的力學(xué)性質(zhì)不均勻、筋材長度、加筋間距和每級擋墻寬度等因素影響形成的；數(shù)值分析得到的破裂面更靠近擋墻內(nèi)側(cè)，而理論和實(shí)測值較遠(yuǎn)。

圖10 擋墻破裂面對比

4 多級加筋土高擋墻水平變形的影響因素分析

上節(jié)通過對實(shí)測值和模擬值的對比分析，驗(yàn)證了PLAXIS2D數(shù)值模型的合理性。為了保證加筋土擋墻的水平變形滿足工程要求，進(jìn)一步深入研究影響加筋土擋墻水平變形的影響因素。

加筋土擋墻作為柔性支擋結(jié)構(gòu)，加筋作用是在筋材與土體間產(chǎn)生相對位移情況下得到實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)加筋土擋墻中加筋與土處于協(xié)調(diào)變形狀態(tài)時(shí)，墻面板的水平變形反映了加筋土擋墻的水平變形。本節(jié)以每級加筋土擋墻的墻面板作為研究對象，加筋擋墻面板承受的土壓力主要由筋材承擔(dān)，所以把拉筋當(dāng)作加筋擋墻面板的彈性支撐，面板可簡化為彈性地基上的板考慮，對于平面問題，則為一彈性地基梁，如圖11所示。圖中：Sv為筋材的豎向間距；β為加筋土擋墻的破裂角；Em和Im分別加筋土擋墻面板的彈性模量和慣性矩；kf為分布彈簧的剛度系數(shù)；q為土壓力強(qiáng)度。

圖11 簡化分析模型

假設(shè)加筋土擋墻的破裂面為鍥形體，則破壞面內(nèi)筋材的剛度系數(shù)k可表示為

(1)

式中：Er和Ar分別為拉筋的變形模量和截面積；h為加筋擋墻高度。

把筋材的支撐假設(shè)為分布彈簧，則式(1)可表示為

(2)

式中：Sh為筋材的水平間距。

根據(jù)文克勒地基上的彈性梁的計(jì)算公式，得到加筋土擋墻墻面板的撓曲微分方程為

(3)

式中：ω為擾度。

式(3)可以變化為

(4)

(5)

式中：φ為填料內(nèi)摩擦角。

從式(5)可以看出，加筋土擋墻各級墻面板的變形與筋材的剛度、筋材長度、加筋間距及墻后填料性質(zhì)有關(guān)。

下面主要從筋材長度、筋材間距和填料內(nèi)摩擦角3個(gè)方面分別分析其對墻面水平變形的影響，在PLAXIS2D數(shù)值模型中，土工格柵彈性模量取E=1 825 MPa，填料密度ρ=1.91 g·cm-3，在固定筋材長度、筋材間距和填料的內(nèi)摩擦角這3個(gè)影響參數(shù)中2個(gè)，改變第3個(gè)的基礎(chǔ)上，觀察其對擋墻墻體水平變形的影響效果，從而確定這3大參數(shù)中各自的重要程度。

4.1 筋材長度對擋墻變形的影響

為了研究筋材長度對擋墻墻面水平位移的影響，取1—4級擋墻筋材間距為0.5 m，5—6級擋墻筋材間距為0.7 m，黏聚力為5 kPa，內(nèi)摩擦角為29°。在上述條件不變的情況下，只改變整體筋材的長度，通過不同筋材長度加筋土擋墻的水平變形分析筋材對擋墻穩(wěn)定性的影響。分析過程中筋材長度分別為16，20，24，28和32 m，其水平變形曲線如圖12所示。

從圖12可以看出：筋材長度為16和20 m時(shí)擋墻的水平位移比較大，并且每級墻面中下部呈現(xiàn)“鼓肚子”現(xiàn)象；隨著筋材長度的增加，水平位移顯著減小，“鼓肚”狀也得到了很好的抑制，這表明，擋墻墻面板的水平變形開始隨著筋材長度的增加而減小，效果顯著；當(dāng)筋材長度超過一定的范圍后加筋效果不明顯。即在墻高一定的情況下，加筋長度的影響具有一定的范圍，即超出該范圍后加筋富裕，而富裕的加筋對改善墻面板的側(cè)向變形作用不大，因此以大量增加加筋長度減少變形是不可行的。另外從圖12還可知，當(dāng)筋材長度超過28 m以后，擋墻的水平變形變化很小，合理加筋長度為24～28 m，該加筋長度范圍內(nèi)，墻面的水平變形最大為43.5 cm，該水平變形量為墻高的1.08%，小于美國AASHTO規(guī)定的1.67%限值。因此，建議加筋土擋墻的筋材長度為0.6～0.7倍加筋擋墻高度為宜。

圖12 筋材長度對擋墻墻面水平位移的影響

4.2 筋材間距對擋墻變形的影響

筋材的主要作用是對土體的側(cè)向變形產(chǎn)生約束作用，從而提高土體的極限強(qiáng)度，同時(shí)控制塑性區(qū)的產(chǎn)生和發(fā)展。當(dāng)筋材間距較大時(shí)，筋材對土體的約束作用弱，而未受到加筋的土體將會產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，由于筋材對側(cè)向約束力較小，導(dǎo)致整個(gè)加筋土強(qiáng)度降低。隨著筋材間距的減少，土體的側(cè)向約束力加大，復(fù)合體強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，土體的加筋作用效果越明顯。為了研究筋材間距對擋墻墻面水平位移的影響，取1—4級擋墻筋材長度為26 m，5—6級擋墻筋材長度為24 m，黏聚力為5 kPa，內(nèi)摩擦角為29°。在上述條件不變的情況下，通過改變整體筋材間距為0.4，0.8，1.2和1.6 m，分析筋材間距對墻面水平變形的影響，結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出：筋材間距對擋墻的水平位移影響效果很明顯，筋材間距的改變，不僅改變水平位移的曲線形態(tài)，還改變水平位移的大小，當(dāng)筋材間距由0.8 m增加到1.6 m時(shí)，水平位移的最大值由39.67 cm增加到72.21 cm，即筋材間距增大1倍，水平位移增大82%，但是，筋材對土體有一定的影響范圍，過小的間距會造成影響重疊，形成“超筋土”，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上不合理，施工難度增大，形成的復(fù)合土體沒有明顯的加筋效果。對于本加筋擋墻而言，筋材間距到0.8 m以后，擋墻變形明顯增大，因此，筋材間距控制在0.4～0.8 m較合適。

圖13 筋材間距對擋墻墻面水平位移的影響

4.3 摩擦角對擋墻變形的影響

為了研究內(nèi)摩擦角對擋墻墻面水平位移的影響，取1—4級擋墻筋材間距為0.5 m、筋材長度為26 m，5—6級擋墻筋材間距為0.7 m、筋材長度為24 m。在上述條件不變的情況下，選取內(nèi)摩擦角分別為20°、30°和40°的填料時(shí)，擋墻墻面水平位移如圖14所示。從圖14可以看出：內(nèi)摩擦角的變化對墻面板的水平變化趨勢影響不大，只影響水平位移量，隨著內(nèi)摩擦角的逐漸增大，墻面板水平位移逐漸減小。這是因?yàn)樵龃髢?nèi)摩擦角值可以減小墻面板后的水平土壓力，從而減小面板的水平位移。

圖14 摩擦角對擋墻墻面水平位移的影響

5 結(jié) 論

(1)多級加筋土高擋墻的墻內(nèi)垂直土壓力在填筑期間沿筋長方向呈非線性分布，同一層土工格柵的垂直土壓力分布規(guī)律基本相同，且最大值均靠近筋材尾部。在豎直方向上，距離墻面板相同距離處垂直土壓力的大小會隨著填土高度的增加而增大。

(2)墻背側(cè)向土壓力沿墻高呈非線性分布，且隨著填筑高度的增加而增大，隨著填筑的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定，符合加筋土柔性擋墻的工程特點(diǎn)。

(3)土工格柵加筋土高擋墻測試斷面各層筋材拉力隨上覆填土高度的增加而增大，各層筋材應(yīng)變沿筋長方向呈非線性分布，且大部分測試呈雙峰值分布，第1個(gè)峰值靠近墻面板，第2個(gè)峰值遠(yuǎn)離墻面板。

(4)土工格柵加筋土高擋墻測試斷面墻體潛在破裂面呈曲線分布。實(shí)測墻體潛在破裂面形狀與理論計(jì)算的破裂面相似，與模擬得到的破裂面位置存在差異但破裂面沿墻高的分析趨勢基本相同。

(5)為實(shí)現(xiàn)加筋土高擋墻的良好工程特性，應(yīng)選用合理的土工格柵和填料性能參數(shù)，當(dāng)參數(shù)低于一定數(shù)值后，擋墻易產(chǎn)生較大的水平變形。筋材長度、筋材間距和填料的內(nèi)摩擦角這3大參數(shù)對擋墻變形影響明顯，其中前2個(gè)參數(shù)影響較顯著，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一定要進(jìn)行優(yōu)化并將其控制在合理范圍內(nèi)。