生態(tài)砌塊式加筋擋墻動(dòng)態(tài)失穩(wěn)研究①

沈秋池， 蘇 燕

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

生態(tài)砌塊式加筋擋墻是一種將現(xiàn)代加筋技術(shù)、砌塊自卡鎖技術(shù)及植被護(hù)坡技術(shù)集于一體的新型擋墻結(jié)構(gòu)。該型式擋墻具有結(jié)構(gòu)輕巧、預(yù)制化生產(chǎn)、施工速度快等特點(diǎn)，且具有一定的生態(tài)功能[1]。目前該型式擋墻廣泛地應(yīng)用于城市內(nèi)河護(hù)岸，實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)在施工期或植物未完全生長期，較高流速水流容易通過生態(tài)孔對墻后土體進(jìn)行淘刷，隨著淘刷量的增大容易導(dǎo)致?lián)鯄ψo(hù)岸失穩(wěn)。通過室內(nèi)試驗(yàn)探究粉質(zhì)粘土回填料的擋墻抗沖能力與淘刷機(jī)理，對試驗(yàn)現(xiàn)象給出定性解釋，并采用有限元法對擋墻穩(wěn)定性進(jìn)行分析，有利于促進(jìn)對實(shí)際工程的了解，對工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

1 生態(tài)砌塊式擋墻抗沖試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用變坡水槽，可調(diào)節(jié)為平坡、緩坡、陡坡，以此來調(diào)節(jié)流速，試驗(yàn)設(shè)備裝置包括：五臺(tái)水泵、配水管路及地下回水廊道、薄壁堰、流速儀、鋼尺、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞?，試?yàn)裝置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 相似理論與物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)相似原理要求，試驗(yàn)水力學(xué)模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型為正態(tài)模型[2]，幾何比尺選定為λl=4，由此可導(dǎo)出其它比尺見表1。

表1 模型比尺關(guān)系

生態(tài)砌塊式擋墻原型砌塊材料采用水泥砂漿拌合碎石而成的混凝土，測得其容重為21.6kN/m3。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推鰤K按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，砌塊容重比尺為1。由于試驗(yàn)砌塊需求量大，且混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，故決定采用石膏作為膠凝劑配合其他材料，澆筑制成砌塊。經(jīng)過多個(gè)方案的對比試驗(yàn)采用石膏∶水∶重晶石粉按1∶1∶2比例制作砌塊。

1.3 試驗(yàn)方案

水流流速是決定生態(tài)砌塊式擋墻墻后土體是否被淘刷的重要因素，擋墻的抗沖流速是相對特定回填材料而言，指在一定過流歷時(shí)下未見明顯土顆粒被淘出且墻后土體未形成淘刷坑時(shí)的河道流速視為該回填土料的擋墻抗沖流速。以福州某河段已建擋墻為研究對象，回填材料采用粉質(zhì)粘土，其主要參數(shù)：容重r=19kN/m3，粘聚力c=4.2kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°。改變河道流速進(jìn)行試驗(yàn)對照，試驗(yàn)過程通過數(shù)字圖像采集設(shè)備觀察記錄生態(tài)孔處水流流態(tài)、土顆粒起動(dòng)情況及淘刷坑發(fā)展變化。試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)結(jié)果的定性分析與解釋

研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)流速為0.6m/s時(shí)，不會(huì)發(fā)生淘刷現(xiàn)象，當(dāng)流速大于0.6m/s時(shí)，水面波動(dòng)處的生態(tài)孔有土顆粒被淘出，歷時(shí)2h后墻后填土均出現(xiàn)不同程度往墻背方向深入的貫穿性通道，且該通道僅出現(xiàn)在水面波動(dòng)處，淘刷現(xiàn)象見圖2。因此，經(jīng)比尺換算后粉質(zhì)粘土回填料的生態(tài)砌塊式擋墻抗沖流速為1.2m/s。

圖2 粉質(zhì)粘土填料生態(tài)擋墻淘刷現(xiàn)象

淘刷發(fā)展過程如下：河道水流通過生態(tài)孔使墻后填土浸水，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)水流流速大于抗沖流速時(shí)，水面波動(dòng)的頻率較快，形成生態(tài)孔內(nèi)強(qiáng)烈紊流(主要有環(huán)流、斜流、橫流)，這些水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水流拖曳力破壞了粘土顆粒的受力平衡，導(dǎo)致粘土顆粒松動(dòng)，松動(dòng)的土顆粒隨著向下的水流波動(dòng)從生態(tài)孔淘出，隨過流歷時(shí)增長不斷有粘土顆粒被淘出進(jìn)而形成沿水面線的貫穿通道，且該通道不斷往內(nèi)部楔入。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，采用有限元法對擋墻在淘刷坑不斷增大情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計(jì)算擋墻高3.0m，等間距分布4根長3m的土工格柵，間距為0.6m，有限元計(jì)算模型邊界范圍見圖3。模型底部的水平與豎向位移約束，前后兩個(gè)側(cè)面邊界限制其水平向位移，墻面、頂部以及墻面左側(cè)地面設(shè)為自由面，計(jì)算除考慮重力荷載外還考慮0.9m的靜水壓力。

2.2 確定物理力學(xué)參數(shù)

有限元計(jì)算采用的材料參數(shù)如表3所示。回填土采用D-P模型。砌塊、土工格柵與地基土采用線彈性模型。采用古德曼無厚度接觸單元模擬填土與面板之間及填土和土工格柵之間的接觸特性[3]。

圖3 有限元計(jì)算模型示意圖

2.3 淘刷過程的模擬方法

基于上述試驗(yàn)的現(xiàn)象與規(guī)律，以淘刷坑深度為變量，模擬淘刷坑沿水平向不斷增大的過程，計(jì)算時(shí)將淘刷坑處單元按淘刷順序逐級(jí)凍結(jié)[4]，每級(jí)淘刷坑深度為0.1m(淘刷坑高度為0.06m)，直至計(jì)算不收斂。

表3 模型材料計(jì)算參數(shù)

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 塑性應(yīng)變

不同淘刷坑深度下?lián)鯄Φ乃苄詰?yīng)變云圖見圖4，在未發(fā)生淘刷時(shí)擋墻墻角局部出現(xiàn)塑性應(yīng)變，當(dāng)淘刷坑出現(xiàn)時(shí)，擋墻的潛在滑裂面首先從墻腳轉(zhuǎn)移到淘刷坑端部，隨著淘刷坑深度的增加潛在滑裂面從淘刷坑端部逐漸向上向內(nèi)發(fā)展，呈圓弧狀。當(dāng)淘刷坑深度增加至0.4m時(shí)，計(jì)算不收斂 ，可認(rèn)為此時(shí)加筋土體內(nèi)已形成貫通的滑裂面，擋墻失穩(wěn)破壞。

圖4 塑性應(yīng)變云圖

圖5 墻面水平位移分布

2.4.2 墻面板水平位移

不同淘刷坑深度下墻面板水平位移分布見圖5，面板的位移總體呈現(xiàn)中間大兩頭小的分布，這是筋擋由于擋墻的中部附近集中較大的主動(dòng)土壓力，使得該處墻面產(chǎn)生較大的水平位移[5～6]。當(dāng)淘刷坑出現(xiàn)時(shí)，淘刷坑上部土體失去支撐處于臨空狀態(tài)，隨著淘刷坑增大臨空土體隨之增大，臨空土體作用在面板上的力也不斷增大，致使淘刷坑上部墻面逐漸往外移動(dòng)。圖中可以看出當(dāng)淘刷坑深度在0～0.2m時(shí)墻面位移增幅較小，當(dāng)從0.2m發(fā)展至0.3m時(shí)，位移增幅較大，擋墻的變形急劇增加，此時(shí)加墻接近極限破壞狀態(tài)。

2.4.3 土工格柵拉應(yīng)變

不同淘刷坑深度下?lián)鯄ν凉じ駯爬瓚?yīng)變分布曲線見圖6，可以看出各層土工格柵拉應(yīng)變沿長度方向均呈非線性分布，拉應(yīng)變在墻面與格柵連接處局部范圍呈現(xiàn)“凹”形，這是由于該處有應(yīng)力集中，導(dǎo)致該處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)變，隨后曲線轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴埂毙?，拉?yīng)變出現(xiàn)峰值，最大拉應(yīng)變均出現(xiàn)在第2層土工格柵。

加筋土擋墻內(nèi)部破壞是由于筋體斷裂而成的，由各層土工格柵的最大拉應(yīng)變位置所確定的潛在破裂面如圖6所示，未淘刷工況下的格柵拉應(yīng)變峰值連線與水平面夾角為50°，淘刷坑深度為0.1m、0.2m、0.3m時(shí)其夾角分別為52°、60°、57°，這與“0.3H法”假定的破裂面與水平面夾角54°基本吻合[7]。

各層土工格柵在淘刷坑深度變化下拉應(yīng)變變化見圖7，可以看出除第一條土工格柵以外各層格柵拉應(yīng)變與應(yīng)變峰值隨著淘刷坑深度增大也不斷增大，這是由于臨空土體隨淘刷坑的增大而增大，使其在土工格柵上的作用力也增大，同樣地當(dāng)淘刷坑深度從0.2m發(fā)展至0.3m時(shí)，應(yīng)變峰值增幅較大，擋墻趨向失穩(wěn)。

圖6 潛在破裂面和土工格柵拉應(yīng)變分布

圖7 各層土工格柵拉應(yīng)變變化

3 結(jié) 論

1)對于粉質(zhì)粘土回填料的擋墻，其抗沖流速為1.2m/s。當(dāng)河道流速大于抗沖流速，墻后土體將從水面波動(dòng)處的生態(tài)孔被淘出，并逐漸形成沿水面線的貫穿通道，且該通道不斷往墻背方向楔入。

2)墻后土體被淘刷的機(jī)理為：墻后填土浸水，抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)水流流速大于抗沖流速時(shí)水面波動(dòng)的頻率較快，形成生態(tài)孔內(nèi)強(qiáng)烈紊流(主要有環(huán)流、斜流、橫流)，這些水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水流拖曳力破壞了粘土顆粒的受力平衡，導(dǎo)致粘土顆粒松動(dòng)，松動(dòng)的土顆粒隨著向下的水流波動(dòng)從生態(tài)孔淘出。

3)生態(tài)砌塊式加筋擋墻失穩(wěn)破壞機(jī)理：擋墻出現(xiàn)淘刷坑時(shí)，淘刷坑上部土體失去支撐而處于臨空狀態(tài)，臨空土體受重力作用使得淘刷坑端部產(chǎn)生塑性應(yīng)變，臨空土體同時(shí)作用在土工格柵與墻面板之上，導(dǎo)致土工格柵拉應(yīng)變增大，墻面水平位移也增大。隨著淘刷坑深度的增加，臨空土體體積不斷增大，塑性帶從淘刷坑端部逐漸向上向內(nèi)發(fā)展成潛在的滑裂面，呈圓弧狀，土工格柵拉應(yīng)變與墻面位移在這過程中也逐漸增大。當(dāng)淘刷坑深度進(jìn)一步增加時(shí)，加筋土體內(nèi)的潛在滑裂面發(fā)展貫通至填土頂面，墻面板位移與土工格柵拉應(yīng)變峰值都有較大的突增，此時(shí)擋墻失穩(wěn)破壞。