Sandwich形加筋土橋臺受力性能數(shù)值模型研究

章蘇亞

(上海公路橋梁(集團)有限公司，上海 200433 )

加筋土柔性橋臺具有節(jié)約用地與減小差異沉降等優(yōu)勢，可降低運營成本，并且其側向約束能力強、穩(wěn)定性較高。在承受填土壓力方面，加筋土橋臺與一般加筋土支擋結構基本相同，橋梁結構可以直接安置在加筋土橋臺頂部。葛折圣等[1]基于土工離心模型試驗,探究了土工格柵加筋臺背土壓力的分布、加筋土體的沉降變形以及筋材的應變等特征。王賀等[2]采用室內模型試驗探究了墻頂靜載作用下返包式加筋土擋墻的力學特性和變形性能。Huang等[3]采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，研究了在填筑期間和荷載作用下，3種不同本構模型的加筋土擋墻的受力性能。Pain等[4]研究了土體動力特性對加筋土支擋結構內部穩(wěn)定性的影響。劉飛禹等[5]采用FLAC3D軟件建立計算模型,比較并分析了加筋路堤和天然路堤在移動荷載作用下的響應。Xiao等[6]基于一系列靜荷載下的加筋土擋墻的模型試驗,綜合分析了條形基礎的寬度、土工格柵加固的長度等因素對其受力與變形性能的影響。周志剛等[7]基于現(xiàn)場監(jiān)測試驗和有限元計算分析，研究了土工格柵加筋柔性橋臺的工作機理。徐明[8]研究了橋臺后土壓力的大小及分布規(guī)律。申大為等[9]對地震作用下的加筋土橋臺進行模擬,分析了峰值加速度對結構響應的影響。Ardah等[10]通過實地監(jiān)測和PLAXIS數(shù)值模擬研究了加筋土橋臺的筋材拉力、最大沉降以及橫向變形。肖成志等[11]通過模型試驗，研究了加筋土橋臺極限承載力、變形以及土壓力等規(guī)律。劉萌成等[12]研究了加筋回填土的強度參數(shù)換算和簡化模擬方法。

加筋土在道路橋梁工程中的應用被廣泛關注，針對加筋土填料的研究也時有出現(xiàn)。Abdi等[13-14]通過直剪試驗以及拉拔試驗研究了在土工格柵的黏土中嵌入薄層砂土強化加筋效果的Sandwich形加筋土。這種加筋土能發(fā)揮砂礫類土與筋材界面間良好的接觸性能，彌補黏土與筋材界面抗剪強度較弱的缺陷。此外，Sandwich形加筋土具有取材方便、工期較短及工程成本較低的優(yōu)勢，有利于加筋土橋臺的應用和發(fā)展。劉飛禹等[15-16]開展了筋土界面循環(huán)剪切試驗，結果表明Sandwich形加筋土的筋-土界面存在最優(yōu)的薄砂層厚度，此時的抗剪強度最大。

目前Sandwich形加筋土橋臺的相關研究較為缺乏，對此類填土方式的加筋土研究僅限于單元體尺度范圍。本研究采用FLAC3D軟件建立Sandwich形加筋土橋臺與傳統(tǒng)的粗顆粒土加筋土橋臺的數(shù)值模型。首先，將研究數(shù)值模擬結果與其他文獻數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果進行對比，驗證數(shù)值模型的可靠性。然后，將Sandwich形加筋土橋臺與傳統(tǒng)的粗顆粒土加筋土橋臺進行對比分析，研究Sandwich形加筋土橋臺的受力和變形規(guī)律。

1 模型建立

1.1 模型尺寸及參數(shù)

數(shù)值計算模型寬度為12 m，橋臺高度為6 m，地基深度為6 m，橋臺外計算寬度為5 m，模型尺寸如圖1所示。加筋土采用砂土夾黏土的形式，砂土厚度為0.1 m，黏土厚度為0.4 m。加筋區(qū)域后方填土為黏土，橋臺及土體參數(shù)如表1所示。橋臺共有12層長度為6 m的筋材，筋材豎向間距為0.5 m，筋材參數(shù)如表2所示。橋臺模塊與模塊以及橋臺與土體間的接觸面參數(shù)如表3所示。

圖1 模型尺寸(單位：m)

表1 橋臺及土體參數(shù)

表2 筋材參數(shù)

表3 橋臺模塊與模塊以及橋臺與土體間的接觸面參數(shù)

三維網格劃分如圖2所示，計算時將模型底面x、y和z三個方向全部固定，模型四周均為水平約束，橋臺前方地基頂面、橋臺面板以及加筋土橋臺頂面為自由邊界。

圖2 三維網格劃分(單位：m)

1.2 荷載施加

根據橋臺工程實際，設計條形基礎距橋臺距離為1 m，基礎寬度為2 m。根據不同跨徑取3個不同工況：工況1的基礎荷載為100 kPa；工況2的基礎荷載為150 kPa；工況3的基礎荷載為200 kPa。分析不同條形荷載下兩種形式的加筋土橋臺的受力與變形特性。

1.3 計算模型驗證

由于目前研究中暫無Sandwich形加筋土橋臺的相關研究實例，故通過模擬分析單一填料的加筋土橋臺的計算模型，將本研究計算結果與文獻[9]數(shù)值模擬結果以及文獻[9]現(xiàn)場監(jiān)測結果進行對比，橋臺沿墻高的水平位移曲線如圖3所示。

圖3 橋臺沿墻高的水平位移曲線

由圖3可知，最大水平位移均出現(xiàn)在面板頂部，本研究計算結果的變形規(guī)律與文獻[9]相關結果的變形規(guī)律一致并且數(shù)值相近，由此說明本研究計算模型的可靠性。

2 結果分析

2.1 墻頂荷載—豎向沉降

Sandwich形以及傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺的墻頂荷載—豎向沉降關系曲線如圖4所示。選取荷載增量為20 kPa,逐級施加荷載直至沉降驟增為止。分析可知，隨著荷載逐級增大，傳統(tǒng)的粗顆粒土加筋土橋臺的墻頂沉降逐漸增大，當荷載為240 kPa 時豎向位移約為13 mm，繼續(xù)增大沉降驟增，荷載極限承載力約為240 kPa。Sandwich形加筋土橋臺的極限承載力相對較小，約為220 kPa，此時豎向位移約為15 mm。兩類橋臺的荷載—豎向沉降變化規(guī)律一致，極限承載力之差約為8%。由此說明，Sandwich形加筋土橋臺通過改善筋土之間的相互作用能提高其極限承載力直至承載力接近粗顆粒土加筋土橋臺。

圖4 Sandwich形以及傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺的墻頂荷載—豎向沉降關系曲線

2.2 水平位移

不同工況作用下，Sandwich形以及傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺面板沿墻高的水平位移曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著荷載的增大，曲線斜率逐漸減小，兩類橋臺的水平位移差值也在增大。Sandwich形加筋土橋臺面板沿墻高的水平位移略大于粗顆粒土加筋土橋臺面板的相應位移?？傮w而言，擋墻水平位移隨著上部荷載的增加而逐漸增加。兩類橋臺的水平變形沿墻高的變化規(guī)律一致，都是隨高度的增加而增大，在面板的中上部變形大、底部變形小，整體呈外傾式，擋墻的破壞以頂層混凝土模塊被擠出所致破壞為主。

圖5 Sandwich形以及傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺面板沿墻高的水平位移曲線

不同工況作用下，Sandwich形加筋土橋臺的水平變形云圖如圖6所示；傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺的水平變形云圖如圖7所示?？傮w看來，水平變形沿著橋臺高度方向不斷增大，兩類擋墻的水平位移等值線大體上均呈現(xiàn)層狀分布，平滑延伸至未加筋填土區(qū)域，且上部的位移較下部位移大，頂部達到了最大值。

圖6 Sandwich形加筋土橋臺的水平變形云圖

圖7 傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺的水平變形云圖

由圖6和圖7可知，Sandwich形加筋土橋臺的上部位移略大于傳統(tǒng)加筋土橋臺的上部位移，前者的延伸范圍也略大于后者。粗顆粒土加筋土橋臺的變形連續(xù)性較好，而Sandwich形加筋土橋臺水平變形云圖在粗顆粒土與黏土的交界處以及加筋與未加筋區(qū)域交界處出現(xiàn)部分不連續(xù)現(xiàn)象。這可能是由于黏土分布不穩(wěn)定且粗顆粒土與黏土接觸面之間存在相互作用使變形云圖在靠近面板頂部處不夠連續(xù)造成。

2.3 水平土壓力

不同工況作用下，Sandwich形加筋土擋墻以及粗顆粒土加筋土橋臺面板后水平土壓力沿墻高的分布曲線如圖8所示。由圖8可知，兩類橋臺的最大墻后水平土壓力均位于面板底部，二者數(shù)值相差較小，在工況1和工況2作用下最大臺后水平土壓力差值約為4%。此外，兩類橋臺的墻后水平土壓力隨著上部作用荷載的增大而逐漸增大，隨高度的增加而減小。這是由于在水平土壓力作用下結構有側向位移，帶來了卸載作用，側向變形大的部位水平土壓力減小。此外，面板與土體的摩擦以及土工格柵的水平限制作用等均可導致水平土壓力的減小。隨橋臺高度的增加，粗顆粒土加筋土橋臺的墻后水平土壓力在墻高大于2m后呈線性減小，Sandwich形加筋土橋臺的墻后水平土壓力總體大致呈線性減小。

圖8 Sandwich形加筋土擋墻以及粗顆粒土加筋土橋臺面板后水平土壓力沿墻高的分布曲線

不同工況作用下，粗顆粒土以及Sandwich形加筋土橋臺在未加筋與加筋區(qū)域交界處的水平土壓力沿墻高變化曲線如圖9所示。當上部荷載相同時，無論是哪類橋臺，中部的水平土壓力大小相近?？傮w上兩類加筋土橋臺的水平變形沿擋墻高度的變化規(guī)律有一定差異，Sandwich形加筋土橋臺加筋區(qū)域后的水平土壓力整體呈現(xiàn)頂部與底部大、中間小的趨勢。而粗顆粒土加筋土橋臺水平土壓力大體呈現(xiàn)出隨墻高增大而減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在橋臺底部，橋臺中上部水平土壓力較小。

圖9 粗顆粒土以及Sandwich形加筋土橋臺在未加筋與加筋區(qū)域交界處的水平土壓力沿墻高變化曲線

2.4 豎向壓力

不同工況作用下，兩類橋臺不同高度的筋材處豎向壓力分布如圖10～圖12所示。研究選取第1層、6層以及12層筋材處，即橋臺高度分別為0 m、2.5 m和5.5 m處的豎向壓力分布進行分析。由圖10可知，兩類橋臺的筋材處豎向壓力沿底層筋材長度的分布規(guī)律基本一致。隨著距離面板長度的增加，豎向壓力均呈非線性分布，豎向壓力最大值出現(xiàn)在筋材長度的中后部，而豎向壓力向兩側方向呈減小規(guī)律。與粗顆粒土加筋土橋臺相比，Sandwich形加筋土橋臺的豎向壓力值整體上略大。由于筋材與土體之間摩擦力、墻體內水平土壓力及墻面水平位移共同作用，豎向壓力沿筋材長度呈非線性分布。從傾覆力矩的角度分析，加載前橋臺下部的最大豎向壓力應在靠近擋墻面板位置，并向筋材末端逐漸減小，而實際上最大豎向壓力出現(xiàn)在筋材中后部，這可能是因為面板發(fā)生一定程度的水平位移，使部分應力釋放造成。

圖10 底層筋材處豎向壓力分布

圖11 中間層筋材處豎向壓力分布

圖12 頂層筋材處豎向壓力分布

由圖11可知， Sandwich形加筋土中層筋材處的豎向壓力分布與底層豎向應力類似，壓力最大值也是發(fā)生在筋材中后部，且向兩側逐漸減小。粗顆粒土加筋土橋臺中間層筋材處的豎向壓力沿筋材中部大體上等值均勻分布。

由圖12可知，Sandwich形加筋土橋臺頂層筋材處的豎向壓力最大值同樣也發(fā)生在筋材中后部。傳統(tǒng)粗顆粒土加筋土橋臺與Sandwich形加筋土橋臺相比，其頂層筋材處的豎向壓力曲線的連續(xù)性更好，筋材受力更加均勻。

3 結論

(1) Sandwich形加筋土橋臺的工作性能與粗顆粒土加筋土橋臺的相關性能相近，是一種較好的新型加筋土結構。

(2) 不同工況下，兩種加筋土橋臺面板后水平土壓力隨著高度的增加，基本呈線性減小，但Sandwich形加筋土橋臺面板后水平土壓力比傳統(tǒng)的粗顆粒土加筋土橋臺大4%。

(3) 傳統(tǒng)的粗顆粒土加筋土橋臺變形以及筋材受力更加均勻。Sandwich形加筋土橋臺筋材處的垂直土壓力沿水平方向呈非線性分布，最大值發(fā)生在筋材中后部。