加筋土擋墻后設(shè)置EPS的組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

鄭俊杰， 景 丹， 曹文昭， 邵安迪

(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074； 2. 中冶建筑研究總院(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518055)

隨著我國高速工程、隧道工程不斷蓬勃發(fā)展，單一的支擋結(jié)構(gòu)形式受到各種條件限制已不能滿足工程要求，因此出現(xiàn)了一系列新型組合支擋結(jié)構(gòu)，如抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠有效克服環(huán)境條件的限制，且其穩(wěn)定性高、經(jīng)濟性好，是山區(qū)陡坡地形上支擋結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。發(fā)泡聚苯乙烯塑料(Expanded Polystyrene， EPS)是土木工程行業(yè)目前使用較多的一種土工材料，具有密度小、壓縮變形大、緩沖隔震等優(yōu)點，能夠防止地基沉降、減輕或解決橋頭跳車等問題[1,2]。如何將EPS材料運用到組合支擋結(jié)構(gòu)中，利用其優(yōu)點降低支擋結(jié)構(gòu)的受力已成為行業(yè)越來越關(guān)注的問題。

劉經(jīng)法[3]利用顯式有限元方法分析在擋土墻后設(shè)置不同密度和厚度的EPS板材工況下的擋墻受力性能，結(jié)果顯示墻后EPS板的厚度越厚，墻體位移越小且減小趨勢更明顯。李盛等[4]通過室內(nèi)模型試驗驗證了在明洞頂一定高度范圍內(nèi)鋪設(shè)EPS板可改變土體的相對沉降方向，引起應(yīng)力重分布，形成土拱效應(yīng)，從而減小明洞洞頂垂直土壓力且EPS板密度越小、厚度越大，卸載越明顯。Aytekin[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)使用EPS土工泡沫作為可壓縮回填材料可以減少膨脹土傳遞到穩(wěn)定地層的橫向膨脹壓力，且傳遞的橫向膨脹壓力隨回填厚度的增加而降低。Tsukamot等[6]分別對設(shè)置有EPS板、土工格柵層、土工格柵層+EPS板三個系列的剛性擋土墻進行試驗，試驗結(jié)果表明EPS板有助于靜止時土壓力的降低。鄭俊杰等[7]提出了在膨脹土和擋墻之間設(shè)置EPS柔性墊層的剛?cè)釓?fù)合樁基擋墻結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)EPS墊層彈性模量越小或厚度越大，允許膨脹土發(fā)生的側(cè)向變形也越大，結(jié)構(gòu)的受力和變形越小。Hatami和Witthoeft[8]使用數(shù)值模擬方法對在加筋區(qū)域后設(shè)置了EPS板的加筋土擋墻進行了研究，結(jié)果表明，將EPS板放置在加筋區(qū)域后可以將最大側(cè)向土壓力減小多達50%，具體數(shù)值取決于EPS板的厚度和剛度值。李明東等[9]通過EPS板材在交通道路工程中的應(yīng)用實踐，探討了EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的施工技術(shù)，證實了EPS材料具有減小豎向土壓力和沉降，提高工程安全性的作用。

基于文獻[8]的思路，提出了在加筋土擋墻的加筋區(qū)域后設(shè)置豎向EPS板的結(jié)構(gòu)形式對抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，如圖1所示。本文首先通過室內(nèi)試驗確定EPS板彈性模量與密度的關(guān)系，然后采用有限差分軟件FLAC 3D建立含EPS板和不含EPS板2種方案的抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，對比分析加筋土擋墻墻背土壓力、墻面水平位移、樁身水平位移和彎矩及頂面沉降，重點探討EPS板厚度和彈性模量參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響。

圖1 EPS+抗滑樁-加筋擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)示意

1 數(shù)值模型的建立及參數(shù)選取

1.1 EPS參數(shù)的選取

選取5種密度的EPS試樣，均為高150 mm，直徑75 mm的圓柱體。密度測試完成后，室溫條件下(25 ℃)，在TSZ系列應(yīng)變控制三軸儀上對EPS試樣進行無側(cè)限單軸壓縮試驗(圖2)，加載速率為12 mm/min，軸向應(yīng)變達13%時停止試驗，得到不同密度EPS試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，圖中ρ為EPS試樣密度(kg·m-3)。

圖2 EPS材料參數(shù)測試

圖3 不同密度EPS試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

EPS試樣壓縮試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個階段：彈性段、塑性屈服段和致密段，本文試驗在軸向應(yīng)變達13%時停止，故 圖3中未能體現(xiàn)致密段。由圖可知：軸向應(yīng)變小于2%時，EPS試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性變化，表現(xiàn)出很好的彈性行為，可在該應(yīng)變范圍內(nèi)取試驗數(shù)據(jù)計算不同密度EPS試樣的彈性模量(即曲線斜率)。繪制EPS試樣彈性模量與密度關(guān)系曲線，可得EPS試樣彈性模量與密度的擬合公式，由此確定不同密度EPS的彈性模量[10]，見表1。

表1 不同密度EPS試樣的彈性模量

1.2 數(shù)值模型

參照貴州省駕荔(駕歐—荔波)高速公路YK17+465～YK17+540高填方路基試驗斷面[11]，采用FLAC 3D建立如圖4所示的含EPS板的組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。其中，抗滑樁長12 m，樁間距6 m，樁身截面為矩形；連系梁設(shè)置于樁頂，高1.2 m，寬2.4 m；加筋土擋墻面板厚1.2 m，高12 m。加筋土擋墻中鋪設(shè)土工格柵11層，每層長15 m，層間距1.2 m，模型中采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，其彈性模量E=2.6 GPa，單位面積剛度k=2.3 MPa，泊松比μ=0.33，耦合彈簧黏聚力為c=0 kPa，耦合彈簧摩擦角φ=29.2°。EPS板厚2 m，高13.2 m，置于加筋區(qū)后，緊靠土工格柵末端。

圖4 設(shè)置EPS板的組合支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置模型/m

穩(wěn)定地層、軟土層和填土采用摩爾-庫侖模型，抗滑樁、連系梁、擋墻面板采用彈性模型。Horvath[12]和Ertugrul等[13]指出，EPS材料在彈性范圍內(nèi)受水平應(yīng)力作用時，可將EPS板視為彈性材料。本研究中EPS板的壓縮應(yīng)變均小于2%，因此EPS板亦采用彈性模型。各材料具體物理力學參數(shù)見表2。為了對比分析，也建立了不含EPS板的組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，除EPS板外，各材料參數(shù)及模型尺寸與上述模型無異。

在模型中可能產(chǎn)生錯動滑移的位置均設(shè)置了接觸面，接觸面的內(nèi)摩擦角取相鄰?fù)翆觾?nèi)摩擦角的0.8倍，法向剛度kn和切向剛度ks由文獻[14]的方法進行計算。

表2 材料物理力學參數(shù)

組合支擋結(jié)構(gòu)的建模順序為：(1)設(shè)置抗滑樁和連系梁；(2)土工格柵返包袋裝碎石，分層填土及EPS板至預(yù)定高度(1.2 m/層)；(3)在袋裝碎石外側(cè)澆筑鋼筋混凝土面板。施工結(jié)束時，在頂部施加30 kPa均布靜載，模擬交通荷載的作用。

需要注意的是，EPS材料具有很好的耐水性，地下水對EPS材料的工程特性影響較小，則有、無地下水時，EPS材料對組合支擋結(jié)構(gòu)受力性能的影響相差無幾，故本文不考慮地下水的影響進行簡化分析。

2 工作機理

本研究采用抗滑樁-加筋土擋墻聯(lián)合使用的組合支擋結(jié)構(gòu)，為提高加筋土擋墻的外部穩(wěn)定性和抗滑樁的抗滑能力，進一步優(yōu)化抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)，在加筋土擋墻的加筋區(qū)域后設(shè)置豎向EPS板，EPS板沿加筋土擋墻高度方向均勻分布。

設(shè)置有EPS板的抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)的工作機理為：(1)滑坡推力主要由錨固在穩(wěn)定地層內(nèi)的錨固段抗滑樁產(chǎn)生的抗滑力平衡；(2)填土與拉筋產(chǎn)生的摩阻力以及拉筋的抗拉力使得加筋土的強度明顯提高，可減小墻后填土作用于擋墻的側(cè)向土壓力，降低作用于抗滑樁上的水平推力，提高組合支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；(3)EPS板具有易壓縮變形的優(yōu)點，將EPS板置于加筋區(qū)域后，其壓縮變形對加筋區(qū)域的錨固作用影響較小，且EPS板后填土可通過壓縮EPS板發(fā)生容許范圍內(nèi)的變形，由于土壓力大小隨結(jié)構(gòu)背離土體位移的增加而不斷降低，則填土發(fā)生位移后，作用于擋土墻的土壓力將大大降低，作用于抗滑樁的水平推力也隨之減小。綜上，設(shè)置有EPS板的抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)利用填土壓縮EPS板產(chǎn)生的變形，降低作用于擋土墻與抗滑樁的土壓力，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，減小擋土墻與抗滑樁的結(jié)構(gòu)尺寸，節(jié)約材料用量。

3 EPS板對組合支擋結(jié)構(gòu)的影響

下文為表述方便，將不含EPS板的組合支擋結(jié)構(gòu)模型稱為方案1，含EPS板的稱為方案2。

3.1 墻背土壓力

圖5為墻背土壓力沿墻高的變化曲線。施工結(jié)束時，2種方案的墻背土壓力在墻高4.8 m以上與朗肯土壓力較為接近，4.8 m以下的墻背土壓力則顯著大于朗肯土壓力。方案1的墻頂和墻底土壓力均大于方案2，而墻中部土壓力略小。對比可知設(shè)置EPS板可減小墻背土壓力，特別是擋墻下部的土壓力明顯減小，最大減幅出現(xiàn)在擋墻底部。當EPS板無法沿加筋土擋墻支擋高度通高設(shè)置時，應(yīng)優(yōu)先考慮將EPS板設(shè)置在填土深處。

圖5 墻背土壓力變化曲線

分析原因，是因為EPS板產(chǎn)生的壓縮變形增大了臨近EPS板的土體變形，而土體間的變形差異促進土體自身抗剪強度的發(fā)揮，同時通過“拱效應(yīng)”將土壓力傳遞至相鄰?fù)馏w，從而減小作用在墻背上的土壓力。

3.2 墻面水平位移

圖6為墻面水平位移沿墻高的變化曲線。由圖可知，靜載階段墻面水平位移增量沿墻高呈“上大下小”線性分布。方案1中，施工結(jié)束時墻面最大水平位移為53.3 mm，靜載階段墻面最大水平位移為75 mm。若將靜載階段位移當作墻面總位移，則施工結(jié)束時墻面水平位移已達總位移的71.0%。方案2中，墻面最大水平位移在施工結(jié)束時為48.9 mm，在靜載階段達70.6 mm，施工結(jié)束時的水平位移占比為69.2%。對比發(fā)現(xiàn)，方案2在施工結(jié)束與靜載階段的墻面水平位移均比方案1有所減小，最大墻面水平位移減小幅度分別為8.3%和5.9%，表明設(shè)置EPS板能夠明顯降低墻面水平位移。

圖6 墻面水平位移變化曲線

3.3 樁身水平位移和樁身彎矩

圖7，8分別為樁身位移和樁身彎矩沿樁深的變化曲線?？够瑯稑渡硭轿灰齐S抗滑樁深度的增加近似線性減小。方案2在施工結(jié)束與靜載階段的樁身水平位移和樁身彎矩均小于方案1，樁身位移最大減小幅度出現(xiàn)在樁頂，樁身彎矩最大減小幅度出現(xiàn)在7.5 m樁深處，表明設(shè)置EPS板可明顯減小樁身水平位移和樁身彎矩。

圖7 樁身水平位移變化曲線

圖8 樁身彎矩變化曲線

3.4 頂面沉降

圖9為EPS板所在位置及附近的頂面沉降變化曲線。施工結(jié)束時，2種方案的頂面沉降相差不大，但靜載階段2種方案的頂面沉降出現(xiàn)明顯差異，方案2的頂面沉降顯著大于方案1。方案1頂面沉降總體分布較為均勻，方案2在施工結(jié)束時EPS板兩側(cè)的頂面沉降已明顯大于方案1，而靜載階段，EPS板處的頂面沉降急劇增大，其右側(cè)填土的頂面沉降雖有所減小，但仍明顯大于方案1。分析原因，施工結(jié)束時，EPS板在右側(cè)填土的靜止土壓力作用下已有部分壓縮，靜載階段，由于EPS板的壓縮性大于填土，不僅EPS板處的頂面沉降顯著增大，由于EPS板沿深度的側(cè)向壓縮，導致其右側(cè)填土的頂面沉降也明顯大于方案1。

圖9 頂面沉降變化曲線

4 EPS板設(shè)置參數(shù)的影響

4.1 EPS板厚度的影響

控制EPS板的彈性模量為3.2 MPa，依次設(shè)置0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m共6種不同厚度。需要注意的是，因頂面沉降在靜載階段更便于分析，而其他指標在施工結(jié)束與靜載階段的變化規(guī)律相同，故下文只取靜載階段的結(jié)果進行分析。

圖10 EPS板厚度對墻背土壓力的影響

由圖10可知，隨EPS板厚度增加，墻頂和墻底的墻背土壓力減小，而墻中部的墻背土壓力增大，但變化趨勢隨厚度的增加而趨勢漸緩，總體而言，墻背土壓力隨EPS板厚度增加而減小。分析原因，EPS板厚度越大，相同土壓力作用下其側(cè)向壓縮量越大，且其右側(cè)填土的抗剪強度得到有效發(fā)揮，甚至達到主動土壓力狀態(tài)，從而減小了墻背土壓力。

圖11為EPS板厚度不同時最大樁身彎矩和剪力減小值(與方案1相比)，隨EPS板厚度增加，最大樁身彎矩和樁身剪力減小值均增大，但增幅減小，其中最大樁身剪力更快達到穩(wěn)定值，此后再增加EPS板厚度，最大樁身剪力減小不大。

圖11 EPS板厚度不同時最大樁身彎矩和剪力減小值

圖12為EPS板厚度對頂面沉降的影響，頂面最大沉降隨EPS板厚度增加近似線性增大，差異沉降越來越顯著，EPS板右側(cè)頂面沉降也越來越大。因此，EPS板厚度過大易導致路面差異沉降過大，路面產(chǎn)生縱向裂縫，嚴重影響路面平順和行車安全。

圖12 EPS板厚度對頂面沉降的影響

4.2 EPS板彈性模量的影響

控制EPS板的厚度為2.0 m，依次設(shè)置0.4，0.8，1.6，2.4，3.2，4.0，4.4 MPa共7種彈性模量。圖13顯示了EPS板彈性模量對墻背土壓力的影響。

圖13 EPS板彈性模量對墻背土壓力的影響

由圖13可知墻背土壓力減少值隨EPS板彈性模量減小而增大，增幅越來越大。與EPS板厚度的影響類似，EPS板彈性模量越小，相同初始水平土壓力作用下其側(cè)向壓縮量也越大，右側(cè)填土自身的抗剪強度得到更有效的發(fā)揮，從而減小墻背土壓力。

圖14為EPS板彈性模量不同時最大樁身彎矩和剪力減小值(與方案1相比)，隨EPS板彈性模量減小，最大樁身彎矩和樁身剪力減小值均快速增大。

圖14 EPS板彈性模量不同時最大樁身彎矩和剪力減小值

圖15為EPS板彈性模量對頂面沉降的影響，頂面差異沉降隨EPS板彈性模量減小而增大，特別是當EPS板彈性模量小于3.2 MPa時，進一步減小彈性模量會使頂面差異沉降急劇增大。因此，EPS板彈性模量過小易導致路面差異沉降過大，進而影響路面平順和行車安全。

圖15 EPS板彈性模量對頂面沉降的影響

實際工程中，增大EPS板厚度或減小EPS板彈性模量均能有效提高組合支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但會導致豎向荷載作用下的頂面差異沉降顯著增大。此時，可通過2種途徑，在提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，避免產(chǎn)生過大的頂面差異沉降：(1)將EPS板埋置于頂面下一定深度，其上部為正常填土，延長加筋土擋墻上部的數(shù)層筋材，使之跨過EPS板頂部，起到“加筋減載”的作用，如圖1所示，進而減小由EPS板與周圍填土的差異沉降；(2)作為高速公路路基時，當加筋土擋墻中的筋材長度不大于半幅路寬時，可將EPS板設(shè)置于中間隔離帶下，避免行車荷載的直接影響，從而減小路面差異沉降。

5 結(jié) 論

本文通過建立數(shù)值模型，對比分析了在加筋土擋墻的加筋區(qū)域后設(shè)置EPS板對抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)工作性能的影響，著重對EPS板厚度和彈性模量的影響進行了探討，得到以下結(jié)論：

(1)在加筋土擋墻的加筋區(qū)域后設(shè)置豎向EPS板，可減小作用于加筋土擋墻的側(cè)向土壓力，進而降低作用于抗滑樁上的水平推力。

(2)設(shè)置EPS板能明顯降低組合支擋結(jié)構(gòu)在施工期和豎向荷載作用下的墻背土壓力、墻面水平位移、樁身水平位移和樁身彎矩，但豎向荷載作用下的頂面差異沉降顯著增大，應(yīng)優(yōu)先考慮將EPS板設(shè)置在填土深處。

(3)豎向荷載作用下，隨EPS板厚度增加或彈性模量減小，組合支擋結(jié)構(gòu)的墻背土壓力、最大樁身彎矩和剪力均明顯減小，但頂面差異沉降近似線性增大，此時可通過降低EPS板的高度并延長加筋土擋墻的上部筋材，使之跨過EPS板頂部，或者將EPS板設(shè)置于可避開豎向荷載直接作用的位置來減小頂面差異沉降，保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。