軟土地基上加筋擋土墻的破壞機理探討①

張俊騰，曹文峰，袁亞芳，尤文貴，陳雪冰

(福建農業(yè)職業(yè)技術學院，福建 福州 350119)

0 引 言

軟土在我國分布甚廣，工程實踐經常會碰到，而現有的可供設計人員參考的標準性規(guī)范關于加筋擋土墻的規(guī)定都沒有考慮軟土地基的影響。因此，對軟土地基上的加筋擋土墻的研究具有重要的現實意義。Jewell[1]對建造在軟土地基上的堤壩的破壞機理進行了研究，軟土地基的剪切應力受到堤壩內部的水平壓力的影響。試驗結果表明，對堤壩內部進行加筋處理能夠抑制水平壓力的發(fā)展，進而減少軟土地基的水平方向的變形。Bergado[2]在泰國曼谷軟土地基上建造了一座高6m的加筋擋土墻并且進行了實測試驗和數值模擬，結果顯示數值模擬和實測數據較為吻合，軟土地基加大了擋墻的水平位移和豎向位移。此后，Tanchaisawai[3]引用Bergado(2000)的實測數據采用Plaxis有限元軟件進行了數值模擬分析。在國內，呂鵬、楊廣慶[4]也對軟土地基上的加筋擋土墻進行了數值模擬，研究了其變形和應力特性。目前僅陳建峰[5-6]對軟土地基上柔性加筋擋土墻的剪切帶進行了探討，但是只分析了筋材長度的影響而且其破壞模式均是深層滑動。因此，在此基礎上參照Tanchaisawai(2008)引用Bergado(2000)實測數據，引入HSS本構模型，重點從剪切帶(破裂面位置[7])入手，進一步分析軟土地基上柔性加筋擋土墻的破壞機理。

1 數值模型

1.1 模型的建立

所采用的擋墻的幾何模型、施工過程、各土層參數均與Bergado[2]一致。根據試驗擋墻數據：擋墻高6m，風化層厚度為2.5m，風化層下面為8.5m厚軟土層，軟土層下面為堅硬的砂土，筋材間距為0.5m，長度為6m，如圖1。Richard[8]通過試驗指出，柔性面板的加筋擋土墻的變形比剛性面板的更加顯著。柔性加筋擋墻的構造區(qū)別于剛性加筋擋墻的關鍵在于：墻面由土工材料返向包裹，包裹長度按照《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》2006版取2m，加筋體為彈性材料，剛度K=EA=1000 kN/m，其中E為彈性模量，A為橫截面積。擋墻采用逐級填筑的方法施工，施工過程如圖2。為了更好的考慮土體結的影響，采用考慮幾何非線性大變形對有限元網格的影響：模擬施工過程每層固結時間為3d，總工期為36d，有限元模擬的階段為0d-200d。

陳建峰(2012)在采用有限元軟件Plaxis建模的時候除了填土和砂墊層采用M-C模型外，其余土層均采用HS[9]模型。考慮到Bergado(1995)在試驗的過程當中雖然出現了擋墻和基地的較大變形，但是土體顆粒的應變很小(3%以內)，如果用破壞狀態(tài)下的土體參數來反映土體在低應變狀態(tài)下的力學特性顯得不太合理。因此采用建立在HS基礎上經過改進的HSS[10]模型，后者的參數只比前者多了兩個：小應變模量和剪切應變水平。HSS模型對這兩個參數極其敏感，因此準確選取這兩個參數對數值模擬至關重要。這兩個參數要通過現場震測和小應變三軸試驗才能較為準確的獲取，筆者根據經驗數據：

γ0.7=0.0002

(1)

(2)

表1 各土層計算參數

圖1 擋墻的有限元模型

圖2 有限元的施工模擬過程

1.2 計算結果比較

為了能夠與實測結果值進行比較，本節(jié)的基底沉降值選取考慮土體固結至第60d的計算值。由圖3可值，第60d時擋土墻基底最大值位于離墻趾6m處(墻趾坐標為0，5m)，其值約為150mm。 五年后Bergado(2000)用有限元軟件進行了數值模擬，其計算結果比實測值略大但是總體規(guī)律與實測值基本吻合。采用HSS本構關系的有限元軟件進行了補充計算，計算結果顯示基底沉降曲線與實測值更加吻合。值得說明的是Bergado(2000)在數值建模時采用的本構關系為：填土MC(摩爾庫倫)，地基土SSM(軟土蠕變)。已有很多文獻指出：擋墻的水平位移沿著墻身向上不斷增大，沿著基底向下不斷減小。Bergado(1995)的實測結果也驗證了此規(guī)律。由圖4可知，第126d時Bergado(2000)的有限元計算結果除了基底的水平位移與實測值相差較大外，其余基本上與實測值吻合。這可能是因為SSM模型過高的估計了基底土體的彈性范圍或者是不能考慮擋墻實際施工過程受到卸載重加載的影響。采用HSS模型在計算水平位移時墻身和基底均與實測結果吻合，這說明采用HSS模型比采用SSM模型計算加筋擋土墻的結果更加準確。

Rankine,1857根據擋墻與墻背土體之間的位移關系將墻背土壓力分為三種：1)主動土壓力σa，2)靜止土壓力σo，3)被動土壓力σp。三者之間的關系為：σaσoσp，具體公式如下，

(3)

σ0=γhk0

(4)

(5)

其中Ka=tan2(450-φ/2)，k0=1-sinφ′，

KP=tan2(450+φ/2)，h為擋墻高。

圖3 擋墻第60d基地沉降的實測值與數值計算值

圖4 擋墻中心線水平位移實測值與數值計算值

圖5 擋墻墻背土壓力的實測值與數值計算值

由圖5可知，加筋擋土墻的墻背土壓力實測值比主動土壓力小很多，說明加筋能夠有效抑制擋墻內部應力的發(fā)展。Bergado(2000)的有限元計算值比實測值略大總體上分布在主動土壓力線附近。采用HSS模型計算的土壓力值分布在靜止土壓力線附近，比前者更加接近實測值。有趣的是Tanchaisawai (2008)也采用SSM模型進行了數值模擬，但是他的土壓力計算值比實測值大很多，其數值甚至分布在靜止土壓力線外。這可能是Tanchaisawai (2008)缺乏更詳細的試驗資料，因此建模時沒能很好的選取計算參數。

圖6 不同加筋體間距Sv加筋擋土墻的剪切帶

2 結果分析與討論

2.1 加筋體間距影響分析

為了更好的分析軟土地基對加筋擋土墻的影響，采用堅硬土地基與之對比。硬土層的內聚力取30 kPa，內摩擦角取30，另外硬土層的壓縮模量取20000 kPa，其余參數參照軟土層。

圖6中的(b) 、(d)、 (f)為硬土柔性加筋擋土墻的剪切帶，不難看出加筋體間距Sv=0.3m時擋墻發(fā)生滑移破壞，Sv=0.6m和1.0m擋墻發(fā)生傾覆破壞。說明，加筋體間距過大的話則不能形成形成一個有效的筋土組合體。對于硬土上的擋墻，發(fā)生傾覆破壞時破裂面始終在傳統(tǒng)0.3H法確定的范圍內。再比較軟土地基上的剪切帶位置，當加筋體間距為Sv=0.3m和Sv=0.6m擋墻處于深層滑動破壞狀態(tài)，而當加筋體間距Sv=1.0m時擋墻的剪切帶位置與硬土的一樣出口位于墻趾，如圖6(a) 、(c)、 (e) 、 所示。這說明，軟土地基上的加筋擋土墻受加筋體間距影響既有可能發(fā)生傾覆破壞也可能發(fā)生深層滑動破壞。倘若用摩擦加筋原理來解釋筋土組合體的穩(wěn)定性的話：填土夠密實和加筋體間距足夠使加筋體上下層的土體能夠傳遞其摩阻力和法向應力，從而形成一個能夠與土壓力相抵消的“承壓拱”。至于破壞模式是前者還是后者，主要取決于擋墻的筋土組合體的穩(wěn)定性與地基土的相對穩(wěn)定性。

2.2 加筋體長度影響分析

在加筋間距不變的情況下通過改變加筋體長度同樣可以改變筋土組合體的內摩擦力，從而改變筋土組合體的穩(wěn)定性。如圖7(a) 、(b)，當加筋體長度L=0.4H時擋墻不能形成有效的筋土組合體，這時擋墻只能靠土體自身的強度來維持其穩(wěn)定性，使得傾覆破壞先于滑移破壞發(fā)生。如圖7(c) 、(d)，當加筋體長度L=0.9H時，軟土地基上的擋墻發(fā)生深層滑動破壞，硬土地基上擋墻依舊發(fā)生滑移破壞。如圖7(e) 、(f)，當加筋體長度L=1.2H時，軟土地基上的擋墻發(fā)生深層滑動破壞，硬土地基上擋墻發(fā)生滑移破壞。這說明了，對于軟土地基上的加筋擋土墻當加筋體長度較大時，深層滑動破壞先于傾覆破壞發(fā)生，當加筋體長度較小時則發(fā)生傾覆破壞的趨勢，而且破裂面的位置已經超出了《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》2006規(guī)定的加筋體最小長度0.8h的范圍，如圖7(a)(c)(e)所示。

圖7 不同擋墻厚度加筋擋土墻的剪切帶

2.3 地基土強度影響分析

現有的規(guī)范計算邊坡和擋墻的穩(wěn)定性所采用的公式大多是基于極限平衡法和解析法推導而來。其原理是預先假定一個滑動面，然后將滑動面以上的土體劃分成有限個小剛體再計算安全系數，然后重復以上步驟多次，最后找出最小安全系數和所對應的滑動面。采用有限法分析穩(wěn)定性所采用的方法是強度折減法。

如圖8(a)(b)(c)所示，地基土的內摩擦角為不變，而內聚力從15 kPa減少到10kPa時其剪切帶均從墻頂的加筋體末梢剪入，而從距墻趾h遠處剪出呈弧形性狀，屬于典型的深層滑動破壞。不同的是，其剪切帶的寬度和深度呈逐漸加大的趨勢。如圖8(d)(e)，保持內聚力為10kPa不變，繼續(xù)減小內摩擦角，除了原有的剪切帶加大外，還有另外一個剪切帶開始從墻趾往下發(fā)展并與前者匯合呈“錨形”性狀。繼續(xù)減小地基土的強度，第三條剪切帶也隨之出現，如圖8(f)。這時候的地基根本無法承載力擋墻的重量，所以才會呈地基整體失穩(wěn)破壞的趨勢。說明了采用強度折減法分析擋墻的穩(wěn)定性更加貼近實際。

圖8 不同地基土強度加筋擋土墻的剪切帶

3 結 語

通過數值模擬軟土地基上柔性加筋擋土墻的性能特性得出一下結論：

(1)采用HSS本構模型分析軟土地基上加筋擋土墻的工作性狀比HS和SSM本構模型更準確。

(2)采用強度折減法分析軟土地基上加筋擋土墻的穩(wěn)定性更加貼近實際。

(3)軟土地基上加筋擋土墻的破壞模式不但受加筋體長度的影響，還受加筋體間距、加筋體長度和地基土強度等因素的影響。其破壞模式有可能是傾覆破壞，也可能是深層滑動破壞，甚至是地基整體失穩(wěn)破壞。擋墻先破壞還是地基先破壞主要取決于筋土組合體與地基土的相對穩(wěn)定性。

(4)在設計軟土地基上的柔性加筋擋土墻墻時，設計人員不可生搬硬套規(guī)范，應該綜合考慮多種因素的影響，并且采用有限元軟件進行補充計算。對于重要工程更應該采用兩種以上不同力學模型的有限元軟件仔細分析。