城際鐵路土工格柵加筋土擋墻變形數(shù)值模擬

沈立森, 程和堂，齊興敏

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，河北 石家莊 050081；2.中國鐵路南昌局集團有限公司 鷹潭工務段，江西 南昌 335000；3.河北軌道運輸職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，河北 石家莊 052165)

0 引言

城際鐵路作為區(qū)域內(nèi)城市間的大客流量交通系統(tǒng)，對擋墻結(jié)構(gòu)的變形要求嚴格.過大的變形不僅會影響擋墻的正常使用，還會導致?lián)鯄κХ€(wěn)破壞，而列車荷載作用下的城際鐵路路基要保證高速運行列車的安全與舒適.近年來，土工格柵加筋土擋墻作為柔性支擋結(jié)構(gòu)，在公路、市政、水利等領域應用廣泛，因其具有抗震性能好，適應性強，施工方便，經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點已逐漸應用到了城際鐵路領域中.因此，土工格柵加筋土擋墻的變形規(guī)律已成為完善加筋土理論和保證城際鐵路的路基穩(wěn)定和安全運營的重要內(nèi)容.

文獻[1]利用離心機模型試驗研究了墻頂靜荷載作用下加筋土擋墻的變形機理，分析了墻頂荷載對墻體變形的影響.文獻[2]利用小比例模型試驗，探討了墻頂外荷載作用下的土工格柵加筋土擋墻的墻頂水平位移計算方法，分析了土工格柵蠕變效應對墻頂水平位移的影響.文獻[3]分析了剪切速率和加筋材料特性對加筋土界面抗剪強度的影響規(guī)律，確定了加筋土擋墻的安全系數(shù).文獻[4]通過模型試驗，對加筋土擋墻在列車荷載作用下的動態(tài)響應和變形理論進行了研究.文獻[5]應用動力彈塑性有限元法,研究了豎向地震、加筋長度、面板與填土之間的摩擦角等計算參數(shù)對加筋土層內(nèi)力和變形的影響.

青榮城際鐵路正線長度299 km，為客運專線鐵路，正線數(shù)目為雙線，線間距為4.6 m，設計時速250 km,營運時速200 km.本文以青榮城際鐵路工程為例，研究加筋土擋墻的變形規(guī)律，以期為城際鐵路加筋土擋墻的設計和施工提供理論與技術(shù)支撐.

1 加筋材料的工程特性

土工格柵由于具有良好的工程特性被廣泛應用于加筋土擋墻施工中.影響加筋土結(jié)構(gòu)工作性狀的主要特性包括拉伸、摩擦和蠕變[6].

1.1 拉伸特性

土工格柵作為加筋土結(jié)構(gòu)中的柔性拉筋材料，主要通過抗拉強度來承受荷載并發(fā)揮作用.因此，抗拉強度及變形特征是土工格柵的重要指標.土工格柵的抗拉強度與測定時試樣的形狀、寬度和約束條件等有關.在不同的試驗溫度下，可呈現(xiàn)4種應變速率曲線，如圖1所示.

圖1 不同試驗溫度下應變曲線

圖1中，A曲線為溫度最低或應變速率最大的情況，拉力與延伸率關系近乎直線，在應變較小時即達到極限拉力，易發(fā)生脆性破壞.D曲線為溫度最高或應變速率最小時的情況，在較小的拉力作用下即可產(chǎn)生較大的延伸率，易發(fā)生塑性破壞.B曲線、C曲線為兩個極端情況下的中間狀態(tài).

1.2 摩擦特性

土工格柵埋于擋墻中后部，與周圍土體構(gòu)成復合結(jié)構(gòu)，在自重和外荷載作用下會產(chǎn)生變形，同時在筋土界面產(chǎn)生相互作用，如圖2所示.

圖2 筋土界面的相互作用形式

從圖2可以看出，筋土摩擦作用主要表現(xiàn)為直接剪切摩擦與拉拔摩擦兩種.土工格柵拉筋的特殊性、不同土體摩擦機理的復雜性與筋土相互作用特性在土工格柵加筋機理中的重要性，決定了研究土工格柵摩擦特性的重要意義.土體與土工格柵間的摩擦力分為兩部分：土顆粒與土工格柵間的咬合力、土體與土工格柵間的摩擦力.

1.3 蠕變特性

土工格柵的蠕變性影響加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.蠕變特性會導致加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力重新分布，以致水平位移過大或整體失穩(wěn).蠕變過程的應變曲線如圖3所示.

圖3 蠕變曲線

2 加筋土擋墻的破壞形式

目前，加筋土擋墻的破壞形式主要包括滑移破壞、傾倒破壞、拉斷破壞和拔出破壞.其中，前兩種為外部破壞，后兩種為內(nèi)部破壞.

(1)滑移破壞.如圖4所示，當?shù)鼗Σ亮Σ蛔銜r，滑動力大于抗滑力，擋墻會沿底面發(fā)生整體滑移.

圖4 滑移破壞示意圖

(2)傾倒破壞.如圖5所示，當墻頂荷載過大，且多為偏心作用時，會產(chǎn)生較大的偏心荷載，使得傾覆力大于抗傾覆力，導致?lián)鯄A倒破壞.

圖5 傾倒破壞示意圖

(3)拉斷破壞.如圖6所示，筋帶的抗拉強度不足會導致?lián)鯄Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，原因在于筋帶與面板連接的錨固力不足或筋帶本身腐蝕老化，使抗拉能力減小.

圖6 拉斷破壞示意圖

(4)拔出破壞.如圖7所示，當筋土間的摩擦力不足時，會導致筋土產(chǎn)生相對位移，甚至出現(xiàn)嚴重變形.

圖7 拔出破壞示意圖

3 斷面計算與網(wǎng)格劃分

選取青榮線DK316+000斷面.該斷面墻體填料為粉質(zhì)黏土，墻面板為直立形式，采用0.3 m砂石墊層處理地基，與CFG樁(英文Cement Fly-ash Gravel的縮寫，意為水泥粉煤灰碎石樁)形成樁網(wǎng)復合地基.假定擋墻模型為平面應變模型，地基寬度為50 m，深度為15 m，樁長為4 m，樁徑為0.5 m，樁間距為2 m，正方形布置，樁端深入花崗巖0.5 m；擋墻寬度24 m，高度7.2 m；面板厚度0.3 m；路堤采用17層土工格柵處理，間距均為0.4 m，1～12層格柵長度為8 m，13～17層格柵長度為10 m.以路基中心為對稱軸，取半結(jié)構(gòu)建立模型.加筋土擋墻計算斷面示意圖如圖8所示.

圖8 加筋土擋墻計算斷面示意圖

擋墻受重力、上部路面荷載和列車荷載的共同作用.設擋墻的邊界條件為：筋土界面與樁土界面采用接觸單元，施工過程采用生死單元，模型底部施加豎直和水平雙向約束，路基中心線和左側(cè)地基施工受水平約束，頂部與擋墻左側(cè)為自由邊界.采用大型非線性有限元軟件ADINA進行數(shù)值模擬，各材料參數(shù)如表1所示，邊界條件與網(wǎng)格劃分如圖9所示.

表1 材料參數(shù)表

圖9 邊界條件與網(wǎng)格劃分圖

4 計算結(jié)果與分析

4.1 工后豎向沉降變形分析

加筋土擋墻土層鋪軌通車后的工后豎向沉降云圖如圖10所示.

圖10 豎向沉降云圖

從圖10可以看出，最大沉降點位于擋墻中上部，沉降值為12.7 mm，墻頂與面板附近的沉降量相對較?。幻姘甯浇钔恋某两当韧叨鹊钠渌课惶钔恋某两敌?，原因在于面板迎土側(cè)與附近土體存在摩擦，阻礙了土體沉降；大部分樁與樁之間土的沉降值相同，原因在于樁體有效地控制了地基沉降，使得樁與樁之間土的沉降相對一致.

4.2 水平位移變形分析

加筋土擋墻土層鋪軌通車后的水平位移云圖如圖11所示.

圖11 水平位移云圖

由圖11可以看出，最大水平位移點位于擋墻中部面板附近，變形值為5.7 mm，變形量從最大位移點向墻頂與墻底兩側(cè)逐漸減小；同一高度上的水平位移在擋墻側(cè)最大，隨著與擋墻面板距離的增大，水平位移逐漸減小.原因一是面板具有較高的剛度，在一定程度上可抵抗側(cè)向的土壓力；二是格柵的橫向加筋作用使得筋土間產(chǎn)生了較大的摩擦力，且摩擦力主要分布在加筋土擋墻的主動區(qū)，從而阻止了土體的水平位移.

4.3 潛在破裂面分析

潛在破裂面的確定是加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設計的關鍵.當加筋土擋墻無墻頂荷載作用時，潛在破裂面的確定可通過傳統(tǒng)的 0.3H法來確定，但它并不能準確地反映有墻頂荷載作用的加筋土擋墻的破壞特征，不適用于城際鐵路領域.實際上，當格柵被拉斷或拔出后，加筋土擋墻將沿破裂面發(fā)生破壞.破裂面可通過格柵的最大軸力點來確定.加筋土擋墻破裂面對比(有限元法、0.3H法)圖如圖12所示.

圖12 加筋土擋墻破裂面對比圖

5 擋墻變形與破裂面主要影響因素分析

5.1 加筋間距與擋墻變形的關系

加筋不僅可提高土體的極限強度，抑制塑性區(qū)的發(fā)展，約束土體側(cè)向位移，還可增強擋墻整體性，減少不均勻沉降，保證城際鐵路擋土墻的安全性.一般來說，筋材越密集，筋土總摩擦力越大，擋墻的安全系數(shù)越高，但加筋間距過小容易造成超筋土，導致浪費，且增加施工難度.因此，在保證加筋土擋墻穩(wěn)定的前提下，要充分發(fā)揮加筋的作用，就必須合理地確定加筋率.改變加筋間距可得出各工況下的變形曲線.加筋間距與水平位移的關系如圖13所示，加筋間距與豎向沉降的關系如圖14所示.

圖13 加筋間距與水平位移的關系

圖14 加筋間距與豎向沉降的關系

從圖13、圖14可以看出，當加筋間距不超過0.6 m時，水平位移量隨加筋間距的增大而增大，但速率緩慢，豎向沉降基本不變；當間距超過0.6 m時，水平位移量迅速增大，豎向沉降也有所增大.原因在于加筋間距的增大使得筋土接觸面積減少，錨固力不足，與筋材的側(cè)向約束力減弱，導致水平位移增大，而加筋間距對豎向沉降影響不大.因此，格柵的加筋間距不能超過0.6 m.

5.2 墻頂荷載與潛在破裂面的走向

確定加筋土擋墻的墻頂荷載，可使擋墻在安全范圍內(nèi)運營.根據(jù)不同荷載作用下各層格柵最大軸力點的位置，可得出不同墻頂荷載作用下的潛在破裂面變化曲線，如圖15所示.

圖15 不同荷載作用下的破裂面曲線

從圖15可以看出，當上部無荷載時，破裂面形式與0.3H法確定的非常接近，隨著墻頂荷載的增大，破裂面逐漸偏離面板.原因在于墻頂荷載的增大導致荷載影響范圍擴大，滑移破壞面的面積增大，擋墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低.

6 結(jié)論

本文結(jié)合青榮線城際鐵路加筋土擋墻工程實際，對土工格柵的加筋機理和變形理論計算進行了研究，得出如下結(jié)論：

(1)擋墻最大沉降點位于擋墻中上部，墻頂與面板附近沉降較小，大部分樁體可有效控制地基沉降，與樁間土沉降協(xié)調(diào).最大水平位移點位于擋墻面板附近，且逐漸向墻頂與墻底兩側(cè)減小.面板具有較高的剛度，可抵抗側(cè)向土壓力.格柵具有橫向加筋作用，筋土間摩擦力可阻止土體水平位移.距墻底2.0 m范圍內(nèi)，有限元法確定的擋墻潛在破裂面與0.3H法較為接近；2.0 m以上時，兩曲線逐漸偏離.

(2)加筋間距超過0.6 m時，將導致錨固力不足，側(cè)向約束力減弱，水平位移增大，而加筋間距對豎向沉降影響不大.過大的墻頂荷載會使擋墻豎向沉降增大，荷載影響范圍和破裂面的面積擴大，導致加筋土結(jié)構(gòu)迅速破壞，降低擋墻的安全系數(shù).