探析多級加筋土高擋墻變形與穩(wěn)定性

蔡偉紅

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300000）

1 引言

當(dāng)前一些工程中，多級加筋土擋墻的實(shí)際應(yīng)用方案與分析性理論還具有一定的滯后性，因此，怎樣高效完善其優(yōu)化方案是相關(guān)工作人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題，亟待相關(guān)人員的深入研究。

2 多級加筋土高擋墻的特性

加筋土擋墻是具有一定柔性的結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)如下：施工技術(shù)簡單、成本較低、占地面積小、外形美觀等，通常應(yīng)用在我國公路工程、機(jī)場工程等領(lǐng)域，越來越多的研究人員重視加筋土擋墻的筋土互相作用機(jī)理以及破壞性模式。

3 多級加筋土高擋墻的變形與穩(wěn)定性分析

3.1 工程概況

現(xiàn)研究某三級地區(qū)土工格柵加筋擋墻，該工程位于山區(qū)，地表凹凸明顯，整體加筋土擋墻總高度為30m，第一級高度為7m；第二級高度為10m；第三級高度為13m，墻面之間的臺階寬度為2m，擋墻基礎(chǔ)采用鉆孔樁，樁端嵌入石灰?guī)r，樁體直徑為1000mm[1]。單樁豎向承載力特征值為2000kN，在樁上現(xiàn)澆“L”形混凝土面板，作為下墻（第一級）基礎(chǔ)與面板，擋墻面板應(yīng)使用C25混凝土預(yù)制擋墻模塊，采用的土工格柵應(yīng)是單向工格柵，在第一級、第二級使用的擋墻間隔柵間距應(yīng)保持在約0.5m，第三級擋墻與底部工格柵之間的距離也應(yīng)保持在約0.5m，其他間距應(yīng)在0.6m，基礎(chǔ)層到頂層墻面之間的設(shè)置的礫砂過濾層厚度應(yīng)保持在約0.3m。擋墻所用材料應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，最好采用具有一定穩(wěn)定性的碎石土，在確定擋墻外側(cè)標(biāo)志位置之前，必須充分考慮洪水位的標(biāo)志位置。要詳細(xì)地掌握擋土墻壓力的變化情況以及土體的位移變化情況，在特定情況下應(yīng)適當(dāng)?shù)夭捎梅旨壧钔练绞健?/p>

3.2 構(gòu)建數(shù)值模型和幾何模型

對多級加筋土擋墻的數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建的過程中，可以采用有限元軟件。在影響有限元分析結(jié)果的諸多因素中，擋墻結(jié)構(gòu)邊界的影響相對較大，故此，為確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須對地基的深度與水平方向的長度進(jìn)行合理設(shè)定，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，地基深度取10.0m，水平方向上的長度取40.0m。由于本工程中加筋土擋墻選取的斷面具有良好的均勻性，所以，可簡化為平面應(yīng)變問題，并以加筋土擋墻從施工開始到結(jié)束的工況為依托完成相關(guān)計(jì)算。在有限元模擬中，可以采用板單元，對加筋土擋墻的墻面板與“L”形混凝土板進(jìn)行模擬，并將土工格柵視作桿單元，地基與填筑材料可采用相應(yīng)的模型進(jìn)行模擬。需要注意的是，對加筋土擋墻的施工過程進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)充分考慮土體的自重，通過單元控制逐級加載。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 擋墻水平位移

通過有限元軟件對本工程中加筋土擋墻的水平位移情況進(jìn)行模擬分析之后發(fā)現(xiàn)：在本工程中，加筋土擋墻的水平位移較大的部位出現(xiàn)在擋墻的中部，而擋墻上部、下部以及各臺階處的水平位移相對較小。依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，第二級擋墻水平位移最大部位出現(xiàn)在墻頂。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，第一級與第二級擋墻在變形趨勢上呈現(xiàn)出相同的狀態(tài)，并且二者在墻面垂直位移方面也非常相近，但第三極擋墻的變形趨勢卻與第一級和第二級擋墻的變形趨勢相反，即向內(nèi)傾斜。有限元軟件的計(jì)算結(jié)果顯示第三極擋墻應(yīng)當(dāng)為向外側(cè)傾斜。究其根本原因如下：由于緊貼擋墻面板的填土很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的壓實(shí)度，并且臺階位置處的填土在施工完畢后，會產(chǎn)生一定程度的壓縮變形，引起第二級擋墻的墻趾位置處產(chǎn)生水平位移，從而使擋墻呈現(xiàn)出向內(nèi)傾斜的變形情況。除此之外，在對加筋土擋墻的變形問題采用數(shù)值方法進(jìn)行分析時(shí)，沒有充分考慮施工因素對擋墻造成的影響[2]。

4.2 擋墻土壓力

在對加筋土高擋墻變形問題進(jìn)行分析時(shí)，擋墻的土壓力計(jì)算非常重要，通過對擋墻土壓力的計(jì)算可知：墻背水平土壓力通常會隨擋墻高度的變化而變化，即擋墻增高，墻背水平土壓力減小。由加筋土擋墻現(xiàn)場的實(shí)測結(jié)果可知，上部墻體與土壓力的計(jì)算結(jié)果非常接近，而中部和下部墻體的實(shí)測結(jié)果全都小于計(jì)算所得的土壓力。在每一級加筋土擋墻的墻趾處，均出現(xiàn)應(yīng)力突變的情況，與單級擋墻的土壓力分布規(guī)律截然相反，造成該情況的主要原因是后一級的擋墻基礎(chǔ)伸入到前一級的擋墻中，加之臺階本身所具備的卸載作用，使得應(yīng)力集中，致使墻背土壓力明顯大于各級擋墻中部的土壓力。

結(jié)合擋墻在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況可知：（1）垂直土壓力在墻頂端處較小，在三級加筋土擋墻的基底處較大，有限元軟件計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測增值結(jié)果不符，并且在鋪設(shè)土工格柵時(shí)，可能會因?yàn)閺埩Σ蛔阒聣Ρ惩翂毫ζ?；?）在本工程中，加筋土擋墻墻頂位置處的垂直土壓力較小，基底位置處的垂直土壓力較大，而有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場的實(shí)測結(jié)果存在一定的不同，即有限元計(jì)算所得的垂直土壓力大于現(xiàn)場實(shí)測值[3]，引起這一問題的主要原因分析為：本工程在施工時(shí)采用的是機(jī)械化作業(yè)的方法，受施工機(jī)械的影響，加之填土本身的壓實(shí)度未能達(dá)到預(yù)期中的目標(biāo)值，導(dǎo)致垂直土壓力與有限元計(jì)算結(jié)果不同；此外，在施工中對土工格柵進(jìn)行現(xiàn)場鋪設(shè)時(shí)，因張拉不到位，給墻面板的位移提供了條件，施工完畢后，土壓力隨之釋放，造成墻背位置處的土壓力偏小。

4.3 擋墻的穩(wěn)定性

多級加筋擋墻破裂面的位置會根據(jù)填土情況而變化，并且潛在破裂面會根據(jù)擋墻的高度發(fā)生變化，這是一種常見的擋墻破壞方式，與現(xiàn)場實(shí)際勘測結(jié)果相同。通過深入研究與探索可知，由于填土黏聚力與內(nèi)部摩擦力的增大，穩(wěn)定性也會隨之增強(qiáng)，多級加筋擋墻潛在滑裂面的位置必然向未加筋區(qū)域轉(zhuǎn)移。土工格柵的剛度與擋墻穩(wěn)定性之間存在極為密切的關(guān)聯(lián)，即土工格柵剛度小，則擋墻穩(wěn)定性差。因此，通過對土工格柵剛度的提升，能夠使擋墻的穩(wěn)定性大幅度提高。但必須指出的一點(diǎn)是，拉筋的剛度增大后，滑裂面的位置會逐漸下移，所以，為使多級加筋土高擋墻結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)軸向抗拉剛度選取適宜的土工格柵。同時(shí)，通過對擋墻加筋進(jìn)行加密處理，擋墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會顯著提高。此外，填料的變形模量對擋墻的穩(wěn)定性具有一定的影響，當(dāng)填料變形模量的數(shù)值增大后，擋墻穩(wěn)定系數(shù)的變化幅度會隨之減小，使擋墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論與分析

擋墻的水平位移隨工程進(jìn)度的增加不斷增加，但是在工程結(jié)束后，各級擋墻頂?shù)乃轿灰埔矔S之加大，即如果工程實(shí)際周期比預(yù)測周期長，墻頂水平位移的穩(wěn)定系數(shù)也會比預(yù)測穩(wěn)定系數(shù)高。

6 結(jié)語

總之，結(jié)合多級加筋土高擋墻的變形與穩(wěn)定性進(jìn)行分析，調(diào)整工程進(jìn)度非常必要，工程技術(shù)人員不僅要做好數(shù)據(jù)分析和處理，提高擋墻的穩(wěn)定性，控制擋墻變形，還應(yīng)在各項(xiàng)工程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，保證擋墻的施工質(zhì)量。