加筋土擋墻拐角處頂層格柵拉應力影響因素分析

任俊姣，龍建輝，孫自強,2，張吉寧

(1.太原理工大學 地球科學與工程系，山西 太原 030024；2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610051；3.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002)

0 引 言

近年來，加筋土擋墻的使用范圍越來越廣泛，究其原因，主要是其結(jié)構(gòu)剛度小、柔性大，設(shè)計方便，外形美觀，節(jié)省造價且較實用[1-2]。李鴻強[3-5]等通過現(xiàn)場試驗及模型試驗研究了加筋土擋墻的性狀。當前規(guī)范中大多是關(guān)于順直加筋土擋墻設(shè)計方法的研究，對于擋土墻拐角部位的研究相對較少，且相應規(guī)范也不健全[6-7]。但在實際應用中擋土墻拐角部位變形較直線部位更為嚴重：劉曉明[8]在對于擋土墻形態(tài)與結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)加筋土擋墻拐角部位的鼓脹病害的重要原因是拐角部位比直線部位更易變形。KI等[9]通過模型實驗分析研究了擋土墻拐角部位的水平變形情況。ZHANG[10-12]在極限平衡理論基礎(chǔ)上，通過改變參變量及材料特性研究三維斜坡穩(wěn)定性受拐角區(qū)域的影響程度，并基于變分原理分析了凸形拐角的三維穩(wěn)定性中的作用，次年在此基礎(chǔ)上開發(fā)了計算其所需強度和加固長度的分析程序。工程上常常由于缺乏對擋墻拐角部位形態(tài)和結(jié)構(gòu)特殊性的分析，出現(xiàn)施工方案錯誤，導致?lián)鯄Ψ€(wěn)定性不足，變形過大，甚至破壞的結(jié)果。

為了完善加筋土擋墻拐角部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計、確保其安全性，基于山西其亞鋁業(yè)有限公司2 400 000 t/a氫氧化鋁及600 000 t/a高精鋁板帶箔項目，利用軟件FLAC3D對不規(guī)則加筋土擋墻在3種影響因素下的土工格柵拉應力變形特征進行數(shù)值分析研究，旨在減小土工格柵的破壞程度從而提高擋墻的穩(wěn)定性。

1 工程概況

項目位于暫時性線狀水流侵蝕作用形成的溝谷內(nèi)，屬于典型的黃土高原上的地貌形態(tài)。邊坡采用多級臺階式加筋土擋墻，單級墻高均為10 m，平臺寬4 m，平臺上設(shè)置漿砌片石排水溝，噴射砼護面。擋墻拐角部位墻面內(nèi)夾角設(shè)置為90°～150°，面板仰角為90°，面板通過反包式墻面與鋼筋混凝土整體澆筑平衡墻后土體壓力。筋材采用GSZ型雙線黏結(jié)焊接、雙向鋼塑土工格柵，填料采用砂性土，壓實系數(shù)λc=0.94。為使地基更加穩(wěn)固，對原土地基進行平整，利用錘擊將鋼管打入土中，使之側(cè)向擠密成孔，將管拔出去后，在樁孔中分層回填2∶8灰土夯實而成；為避免不均勻沉降的發(fā)生，在施工的過程中，采用大范圍碎石、砂摻水泥剛性基礎(chǔ)。

2 數(shù)值模擬

相關(guān)研究表明面板對加筋土擋墻整體穩(wěn)定性的影響較小[13-15]，故本次研究采用簡化的模型，不考慮面板單元的影響，不考慮填土的差異分析加筋土擋墻拐角部位土工格柵最大拉應力分布規(guī)律。幾何模型為單級直立式加筋土擋墻，墻面內(nèi)夾角為90°，長寬度30 m，高度10 m，地基有1 m的埋置深度。擋墻底部設(shè)置豎向約束，拐角部位設(shè)置水平約束，墻面為了模擬臨空狀態(tài)不設(shè)置約束。

FLAC3D軟件中Geogrid單元表現(xiàn)為一種線彈性材料，具有抗拉而不能抗壓的特性。使用Geogrid單元模擬土工格柵，其長度為7 m(0.7H，H為墻高)，豎向間距為0.5 m，共鋪設(shè)19層(圖1)。

圖1 土工格柵布設(shè)Fig.1 Geogrid laying schematic

擋墻填土和地基均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，擋墻填土為砂性土，不考慮地基變形對擋墻的影響。根據(jù)工程材料技術(shù)參數(shù)及相關(guān)要求，表1、表2分別為擋墻填土與地基參數(shù)及土工格柵參數(shù)。

表1 擋墻填土與地基參數(shù)Table 1 Parameters of retaining wall filling and foundation

表2 筋材參數(shù)Table 2 Parameters of reinforcement

3 結(jié)果與分析

3.1 土工格柵拉應力分析

為分析土工格柵的受力情況，研究使用FLAC3D軟件中的Geogrid單元分析土工格柵最大主應力，因模擬的土工格柵只有受拉的特性，故土工格柵最大主應力為最大拉應力。

圖2為土工格柵拉應力分布(包括整體和頂層)。由整體土工格柵拉應力分布圖2a可知：①土工格柵最大拉應力在A處最大，即墻高中下部的拐角部位數(shù)據(jù)較大；②由頂層土工格柵拉應力分布圖2b可知：距離墻面較遠處的拐角部位拉應力最大(即B處)，格柵拉應力沿著墻面的拐角部位的連線呈對稱分布，并呈現(xiàn)“X”形狀。

圖2 整體和頂層土工格柵拉應力分布Fig.2 Tensile stress distribution of overall and top geogrid

由頂層土工格柵外緣的最大拉應力分布規(guī)律(圖3)可知：在C處(過渡區(qū)域)拉應力值最大，整體近似正態(tài)分布。

圖3 土工格柵外緣拉應力分布曲線(頂層)Fig.3 Outer edge tensile stress distribution curve (top geogrid)

圖4為拐角和直線部位頂層土工格柵在剖面處的拉應力分布曲線，距墻面0～2 m時拐角部位和直線部位土工格柵拉應力變化規(guī)律一致，2 m后拐角部位呈現(xiàn)與直線部位明顯的區(qū)別。

圖4 拐角和直線部位頂層格柵拉應力分布曲線(剖面)Fig.4 Top geogrid tension stress distribution curve (sections of corners and straight part)

3.2 筋材間距的影響

通常認為筋材間距是加筋效果的一大重要指標，間距越小則加筋效果越好，但間距過小易造成“超筋土”，不僅造價昂貴、施工復雜而且加筋效果也不明顯，因此合理控制筋材間距，不僅能使筋材充分發(fā)揮其作用起到控制變形的效果而且還能降低相應成本。研究認為加筋土擋墻筋材間距一般不大于800 mm[17]。

為研究筋材間距對加筋土擋墻頂層土工格柵拉應力的影響，在FLAC3D中建立筋材間距分別為0.1、0.3、0.5、0.7 m的加筋土擋墻拐角部位三維模型。土工格柵鋪設(shè)長度7 m，土工格柵抗拉強度、填土和地基強度參數(shù)同上。

圖5為土工格柵拉應力分布圖和頂層土工格柵拉應力分布圖(以筋材間距0.3 m為例)。拐角部位土工格柵拉應力分布規(guī)律與直線部位有明顯區(qū)別。將各筋材間距大小的頂層土工格柵邊線上的拉應力數(shù)據(jù)繪制如圖6所示：邊線上的土工格柵拉應力受加筋間距的影響較大，筋材間距與土工格柵拉應力存在正相關(guān)關(guān)系，即筋材間距越小，土工格柵拉應力越小，同等拉力下相應的破壞范圍越小，這與欒茂田和外國學者LESHCHINSKY通過FLAC程序研究改變筋材間距是如何影響加筋土擋墻的穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致，即加筋土擋墻發(fā)生破壞的可能性與筋材間距成正比[18-19]；間距小于0.3 m時實際的加筋效果并不比間距0.3 m時明顯，不但經(jīng)濟上不合理，還增大施工難度，即筋材間距最小為0.3 m時最佳；隨著距拐角距離(0～15 m)的增大土工格柵拉應力出現(xiàn)先增后減趨勢，6 m處達到最大；15 m后變化較小，這與直線型加筋土擋墻規(guī)律相同[20-23]。

圖5 加筋間距0.3 m土工格柵拉應力分布Fig.5 Geogrid tensile stress distribution of tensile spacing 0.3 m

圖6 土工格柵外緣拉應力分布曲線(加筋間距影響)Fig.6 Outer edge tensile stress distribution curve (reinforcement spacing)

圖7為拐角和直線部位在剖面處頂層格柵拉應力受筋材間距影響的分布曲線。筋材間距越大，土工格柵拉應力越大，拐角平分線上相應的破壞范圍越大。當筋材間距等于0.3 m時，隨著距墻面距離的增大，拐角部位與直線部位的土工格柵拉應力的差異減小，即拐角部位的變形程度減弱，擋墻的穩(wěn)定性提高；小于0.3 m時加筋效果不明顯，故為合理地控制擋墻變形可將筋材最小間距設(shè)置為0.3 m。格柵最大拉應力分布規(guī)律在拐角部位與直線部位明顯不同，在拐角部位，格柵最大拉應力與距墻面的距離呈正比例關(guān)系；在直線部位隨著距墻面距離的增大出現(xiàn)先增后減趨勢，距墻面4～6 m的位置達到峰值。

圖7 拐角和直線部位頂層格柵拉應力分布曲線(剖面)Fig.7 Top geogrid tension stress distribution curve (sections of corners and straight part)

3.3 加筋長度的影響

公路橋梁設(shè)計規(guī)范(2007年)：筋材最小長度≥0.7倍擋墻高度，且≥2.4 m。

根據(jù)規(guī)范要求選取筋材長度分別為7、8、9、10和11 m，使用FLAC3D軟件建立相應的加筋土擋墻拐角部位三維模型，加筋層間距為0.5 m，其余參數(shù)不變，研究加筋長度對加筋土擋墻頂層土工格柵拉應力的影響。

通過各筋材長度下土工格柵拉應力分布圖8a和頂層土工格柵拉應力分布圖8b(以筋材長度9 m為例)可以看出，拐角部位土工格柵拉應力分布規(guī)律與直線部位有明顯區(qū)別。將各筋材長度的頂層土工格柵邊線上的拉應力數(shù)據(jù)繪制成如圖9所示：邊線上土工格柵拉應力分布規(guī)律及大小不受加筋長度的影響。

圖8 加筋長度9 m土工格柵拉應力分布Fig.8 Geogrid tensile stress distribution of reinforcement length 9 m

圖9 土工格柵外緣拉應力分布(加筋長度)Fig.9 Outer edge tensile stress distribution curve (reinforcement length)

圖10為各加筋長度下拐角平分線頂層土工格柵的拉應力分布。距墻面7 m時土工格柵拉應力最大；距墻面7～9 m，隨著加筋長度的增加，土工格柵拉應力先減小后增大，距墻面距離大于9 m時土工格柵拉力只減不增。

圖10 拐角和直線部位頂層格柵拉應力分布曲線(剖面)Fig.10 Top geogrid tension stress distribution curve (sections of corners and straight part)

綜合邊線上土工格柵拉應力的分布規(guī)律及拐角平分線上的土工格柵分布規(guī)律，考慮到經(jīng)濟的合理性及筋長的作用效果，筋材長度8～10 m最佳。

3.4 輔筋布設(shè)方式的影響

工程上在設(shè)計加筋土擋墻時，直接將兩側(cè)直線擋墻延伸到拐角部位銜接起來，常常把拐角部位的特殊結(jié)構(gòu)忽略，導致設(shè)計不完善出現(xiàn)擋墻穩(wěn)定性不足而發(fā)生病害。通過在拐角部位增設(shè)輔筋(加強筋)研究土工格柵拉應力變化特征來增強該部位穩(wěn)定性。

研究采用3種輔筋布設(shè)方式如圖11c所示，布設(shè)區(qū)域如圖11a、11b所示：① 輔筋10 cm：與土工格柵間距10 cm處再布設(shè)一層筋材；② 輔筋20 cm：與土工格柵間距20 cm處再布設(shè)一層筋材；③ 一半輔筋：在擋墻上半部分或下半部分布設(shè)筋材，并且與土工格柵間距為20 cm，整個布設(shè)過程筋材參數(shù)保持不變。

圖11 輔筋布設(shè)方式 Fig.11 Diagram of the way the auxiliary geogrids laying

圖12和圖13分別為整體輔筋(以輔筋間距20 cm為例)和一半輔筋(以墻高上半部分輔筋為例)的土工格柵拉應力分布圖和頂層土工格柵拉應力分布圖。整體輔筋時，墻高中下部拐角部位不再是土工格柵拉力最大處，拐角兩側(cè)沿墻面延伸大于拐角部位。將輔筋方式分別為無輔筋、輔筋長度10 cm、輔筋長度20 cm、一半輔筋的頂層土工格柵邊線上的拉應力數(shù)據(jù)繪制成圖14所示。邊線上的土工格柵拉應力受輔筋方式的影響較大，相較于整體增設(shè)輔筋，一半輔筋對擋墻拐角處土工格柵變形的控制效果較弱，但可以起到很好的控制作用，也能節(jié)約材料，具體運用中根據(jù)實際情況擬定方案；在墻高上半部分增設(shè)輔筋對拐角部位的變形控制效果優(yōu)于在墻高下半部分增設(shè)輔筋；輔筋與土工格柵之間的間距大小對土工格柵的拉應力影響較小，工程上可根據(jù)實際需求進行合理選擇(相關(guān)技術(shù)規(guī)范：間距不宜小于5 cm[24])。隨著距拐角距離(0～15 m)的增大土工格柵拉應力出現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，且在6 m處最大，15 m后變化較小，這與直線型加筋土擋墻規(guī)律相同。

圖12 土工格柵拉應力分布(輔筋20 cm)Fig.12 Tensile stress distribution diagram of geogrid under 20 cm spacing of auxiliary reinforcement

圖13 土工格柵拉應力分布(墻高上半部分輔筋)Fig.13 Tensile stress distribution diagram of geogrid for auxiliary reinforcement in the upper half of wall

圖14 土工格柵外緣拉應力分布(輔筋)Fig.14 Outer edge tensile stress distribution curve(auxiliary reinforcement)

圖15為輔筋布設(shè)方式分別為無輔筋、輔筋10 cm、輔筋20 cm和一半輔筋下頂層土工格柵在拐角平分線上的最大拉應力分布?？芍翰荚O(shè)輔筋對拐角平分線上的土工格柵拉應力有明顯影響；土工格柵拉應力基本不受輔筋間距大小的影響；隨著距墻面距離的增大土工格柵最大拉應力呈線性增長趨勢；距墻面1～6 m時整體布設(shè)輔筋土工格柵拉應力比墻高上半部分布設(shè)輔筋小，即相應的破壞范圍較小，墻高下半部分布設(shè)輔筋比無輔筋時土工格柵拉應力都大，即考慮一半輔筋時可在墻高上半部分增設(shè)輔筋。

圖15 拐角和直線部位頂層格柵拉應力分布(剖面)Fig.15 Top geogrid tension stress distribution curve (sections of corners and straight part)

4 驗 證

吳迪等[25]通過物理模型試驗研究各層筋帶拉力變化如圖16所示，在相同間距下，各層筋帶拉力值按距離面板的距離，呈先增大后減小趨勢；在不同加筋間距下，土體未發(fā)生破壞前，各層筋帶的拉力，隨加筋間距增大而有所增大。將本次筋材間距影響下的直線部位數(shù)值模擬結(jié)果與已有的試驗結(jié)果進行了比較。數(shù)值模擬與試驗結(jié)果2種方法得到的筋帶拉力變化規(guī)律高度吻合。進而說明本次數(shù)值模型的正確性及合理性，即通過本次數(shù)值模型研究拐角部位土工格柵拉應力具有合理性。

圖16 不同加筋間距下筋帶拉力對比Fig.16 Comparison of tensile stress under different reinforcement spacing

5 優(yōu)化設(shè)計

分析研究了拐角部位頂層土工格柵拉應力變形規(guī)律在各因素下的影響，為使設(shè)計的加筋土擋墻更科學、更安全，將各個因素對拐角部位頂層土工格柵拉應力影響的變形規(guī)律進行對比。

圖17是3種影響因素下土工格柵外緣拉應力分布曲線圖?？芍咏铋g距對土工格柵拉應力影響最大，輔筋方式次之，加筋長度基本沒有影響，可忽略不計；相較于整體增設(shè)輔筋，一半輔筋對擋墻拐角處土工格柵變形的控制效果較弱，但可以起到很好的控制作用，具體運用中為節(jié)約材料，根據(jù)實際情況可以選擇一半輔筋方式，即在墻高上半部分輔筋。

圖17 3種影響因素下土工格柵外緣拉應力分布Fig.17 Distribution curve of tensile stress at the outer edge of geogrid under three influencing factors

圖18為3種影響因素下拐角平分線頂層格柵拉應力分布曲線圖。筋材間距對土工格柵拐角平分線上拉應力影響較大，輔筋方式次之，加筋長度最小；為減小拐角平分線上土工格柵破壞程度，優(yōu)先考慮改變筋材間距大??；在墻高下半部分輔筋沒有起到加筋效果，故為減少資源浪費，可在墻高上半部分進行輔筋。綜合比較各因素對拐角平分線上格柵拉力的影響程度及工程施工更加經(jīng)濟合理，可選擇改變筋材間距大小及在墻高上半部分輔筋來減小拐角平分線上土工格柵破壞程度。

圖18 3種影響因素下拐角平分線頂層格柵拉應力分布曲線Fig.18 Distribution curve of tensile stress of top geogrid under three influencing factors(corner)

由3種因素對加筋土擋墻頂層土工格柵變形規(guī)律影響的對比分析，旨在設(shè)計更科學更安全的加筋土擋墻，提出如下建議：

1)改變筋材間距大小對減小不規(guī)則狀擋墻土工格柵破壞程度效果最好，在經(jīng)濟條件允許的情況下，可選擇筋材間距大小為0.3 m。

2)增設(shè)輔筋不如改變筋材間距大小效果好，但這種方法節(jié)約材料，可以選擇整體輔筋及一半輔筋的方式，工程上為節(jié)省材料可選擇一半輔筋方式，即在墻高上半部分輔筋。

3)筋材長度雖然影響不大，但在經(jīng)濟條件允許情況下，可選擇筋材長度8～10 m效果最好。

6 結(jié) 論

1)由于特殊的墻體形態(tài)和受力狀態(tài)，拐角部位呈現(xiàn)與直線部位明顯的區(qū)別，并且變形量顯著大于直線部位。

2)拐角部位和直線部位頂層土工格柵的拉應力分布規(guī)律有明顯區(qū)別：拐角部位呈現(xiàn)“X”形，而直線部位與墻面平行分布。

3)筋材間距、輔筋方式都對加筋土擋墻拐角處土工格柵的變形有明顯的影響，加筋長度基本沒有影響。

4)土工格柵拉應力隨著距拐角距離(0～15 m)的增大出現(xiàn)先增后減趨勢，且在6 m處最大，15 m后變化較小，即實際工程中可在距拐角6 m左右提高擋土墻設(shè)計的穩(wěn)定性。

5)對于減小頂層土工格柵的破壞程度，可通過改變筋材間距大小、增設(shè)輔筋的方式或這兩種方法的結(jié)合來減小土工格柵的破壞程度；輔筋與主筋的間距大小對土工格柵的影響較小，但一般要求其間距不小于5 cm。