加筋土擋墻路堤受力變形特性及穩(wěn)定性分析

■沈忠敏

（連城縣交通運(yùn)輸局，連城 366200）

近年來高速城市道路大規(guī)模建設(shè)， 由于用地紅線限制，支擋結(jié)構(gòu)往往坡率較陡。而土工格柵加筋材料能夠適應(yīng)支擋、橋臺(tái)等各種圬工結(jié)構(gòu)，具有廣泛的工程運(yùn)用前景。 加筋土擋墻相較于傳統(tǒng)擋墻具有更強(qiáng)的承受水平土壓力、 豎向土壓力及抗傾覆力的能力[1-2]。 加筋土擋墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，具有變形適應(yīng)能力強(qiáng)、協(xié)調(diào)不均勻沉降能力強(qiáng)，遇外力后恢復(fù)形變能力較強(qiáng)，抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)加筋土擋墻的加筋作用機(jī)理進(jìn)行了大量研究， 主要有摩擦加筋理論和準(zhǔn)粘聚力理論。摩擦加筋理論認(rèn)為，在土體中鋪設(shè)土工格柵這種高模量筋材使土體與土工格柵之間產(chǎn)生了摩擦咬合作用，加筋土形成錨固系統(tǒng)，進(jìn)而改變邊坡穩(wěn)定性及變形特性。 準(zhǔn)粘聚力理論是將加筋土擋墻邊坡視為筋—土復(fù)合體， 相較于原土體，筋—土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度有明顯增加，應(yīng)力應(yīng)變特性改善，從而改變了邊坡破壞模式。土工格柵是通過筋材鋪設(shè)張拉來影響加筋土擋墻支護(hù)效果， 鋪設(shè)土工格柵后邊坡中的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生改變， 變形特性及破壞模式也隨加筋形式的變化而變化[3-4]。 基于此，本文通過模擬未加固處理路堤邊坡和土工格柵間距1.0、0.5 m 的加筋土擋墻邊坡土體應(yīng)力、 位移及穩(wěn)定性情況差異， 研究土工格柵對(duì)加筋土擋墻路堤邊坡的變形、穩(wěn)定性作用機(jī)理及影響規(guī)律。

1 路堤加筋擋墻穩(wěn)定性數(shù)值分析

1.1 工程背景

選取福建省福清市某公路路堤邊坡工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，路堤加筋土擋墻結(jié)構(gòu)如圖1 所示，加筋土擋墻邊坡高度為6 m，路堤頂面寬度40 m，坡率為1∶0.5。 擋墻采用生態(tài)框砌塊擋墻， 砌塊尺寸長(zhǎng)×寬×高為2 m×1 m×0.5 m，生態(tài)框砌塊可以種植草木，以滿足景觀要求。

圖1 加筋土生態(tài)擋墻

1.2 數(shù)值模型

本文采用強(qiáng)度折減法分析邊坡的安全系數(shù)及塑性區(qū)。 強(qiáng)度折減法由Zienkiewicz[5]在1975 年首次提出，其基本原理是對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c 與內(nèi)摩擦角φ 進(jìn)行折減，直至邊坡達(dá)到極限狀態(tài)。 這時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)為邊坡的安全系數(shù)，該方法可以得到潛在破壞面的位置。 本文采用Midas 軟件建立二維邊坡模型進(jìn)行數(shù)值模擬，路堤坡頂施加的車輛荷載為20 kPa，模型如圖2 所示。 擋墻及地基各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

圖2 Midas 邊坡二維分析模型

本項(xiàng)目為生態(tài)砌塊加筋擋墻，屬于模塊式加筋擋墻，為保證擋墻與土工格柵協(xié)同作用，土工格柵設(shè)計(jì)間距為N 倍的生態(tài)砌塊高度，即為0.5N。 且根據(jù)《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》條文，對(duì)墻后加筋，層間距不宜大于1.0 m[6]。 因此建立加筋土擋墻模型時(shí)土工格柵間距為0.5、1.0 m。

路基加筋土擋墻設(shè)計(jì)中，對(duì)土工合成材料強(qiáng)度影響較大的是蠕變和施工損傷這2 個(gè)因素。 本項(xiàng)目土工格柵選用坦薩UX1400 單向塑料土工格柵。 該材料采用的聚合物整板沖孔拉伸工藝生產(chǎn)為剛性的單片格柵，有整體的節(jié)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、高模量、抗老化、耐腐蝕、低蠕變等優(yōu)越的工程性能。 坦薩UX1400 單向塑料土工格柵， 其極限抗拉強(qiáng)度為70 kN/m，5%延伸率下的拉伸力為31 kN/m，因此取EA=620 kN/m，Np=70 kN/m。 筋土界面系數(shù)Rinter=0.7。 土工格柵鋪設(shè)長(zhǎng)度為8 m。

2 路堤邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 不同加筋間距下邊坡土體沉降

加筋擋墻路堤變形分析理論主要分為2 種：一是摩擦加筋理論，土工格柵與土體之間通過界面相互摩擦咬合，該種方法較符合實(shí)際情況，但界面參數(shù)難以測(cè)定，且忽略了土工格柵在拉力作用下的變形；二是將土工格柵和土體視為土工格柵—土復(fù)合體，加筋土結(jié)構(gòu)中土工格柵約束側(cè)向變形[6-7]。 圖3表示不同土工格柵間距下路堤表面的沉降，從圖中可以看出路堤表面沉降呈鞍馬狀，加筋前后，路堤表面沉降有明顯減小。 由于加筋土擋墻限制，臨近擋墻側(cè)沉降下降幅度更大，靠近路堤中心線范圍的路堤沉降基本一致。 這表明，土工格柵間距減小，路堤沉降降低；并且土工格柵有顯著的擴(kuò)散效應(yīng)，以及協(xié)調(diào)路基不均勻沉降的能力[8]。 喻澤紅等[9]發(fā)現(xiàn)加筋邊坡改善土體變形，使得邊坡沉降相對(duì)均勻，加筋間距減小到一定程度時(shí)，土體延性顯著增大，加筋邊坡的呈現(xiàn)柔性破壞的特征。

圖3 不同土工格柵間距下路堤表面的沉降

2.2 不同加筋間距下?lián)鯄γ嫠轿灰?/h3>

圖4 為不同格柵間距下加筋土擋墻墻面的水平位移，可以看出實(shí)施加筋土擋墻前后，墻面的水平位移有明顯減小。 而擋墻腰部的水平位移較大，墻頂處的水平位移較小。 匡柯柯等[10]研究發(fā)現(xiàn)加筋土擋墻面板處的水平位移具有明顯的“凸肚”特性，呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。 任鑫[11]發(fā)現(xiàn)擋墻墻面的水平位移呈沿坡面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)明顯的“鼓脹”。

圖4 不同土工格柵間距下加筋土擋墻墻面水平位移

2.3 不同加筋間距下邊坡的穩(wěn)定性變化

由表2 可知，未有加筋土擋墻加固的邊坡安全系數(shù)為0.7；采用加筋土擋墻的處理后邊坡安全系數(shù)顯著上升，土工格柵間距為1.0 m 時(shí)，安全系數(shù)上升至2.0，土工格柵間距為0.5 m 時(shí)，安全系數(shù)為2.5。

表2 不同格柵間距下路堤邊坡安全系數(shù)

圖5 為不同格柵間距的邊坡的塑性云圖。經(jīng)加筋土擋墻加固后，在土工格柵橫向作用下，邊坡土體內(nèi)部均未形成貫徹式滑動(dòng)面，滑塊體積變大。 滑動(dòng)面也由原本的圓弧狀橫向發(fā)展，形成折線滑動(dòng)面。

圖5 不同格柵間距邊坡塑性云圖

圖6、7 為不同土工格柵間距的加筋土擋墻邊坡主應(yīng)力圖，從圖中可以看出邊坡最大主應(yīng)力存在拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，而最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主。 土工格柵間距為1.0 m 的加筋土擋墻邊坡最大主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為49.9 kPa， 最大壓應(yīng)力為314.0 kPa，最小主應(yīng)力最大值為645.0 kPa；土工格柵間距為0.5 m 的加筋土擋墻邊坡最大主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為18.0 kPa， 最大壓應(yīng)力為313.8 kPa，最小主應(yīng)力值最大值為582.9 kPa。

圖6 間距0.5 m 的加筋土擋墻邊坡最主應(yīng)力圖

圖7 間距1.0 m 的加筋土擋墻邊坡主應(yīng)力圖

這一現(xiàn)象表明，加筋土擋墻能夠有效加固路堤邊坡，顯著改善邊坡內(nèi)部應(yīng)力，提高邊坡安全系數(shù)。喻澤紅等[9]認(rèn)為土工格柵能有效阻礙邊坡的剪切滑移帶的貫通，使得邊坡頂部產(chǎn)生裂縫，與未加筋邊坡相比，降雨導(dǎo)致邊坡頂部裂隙滲水造成的滑坡的可能性降低。 .

從圖8 可以看出土工格柵最大應(yīng)變值均小于1%， 體現(xiàn)出土工格柵具有較高的抗拉強(qiáng)度拉筋應(yīng)變開始是隨著土工格柵間距的增加而增加，土工格柵應(yīng)變呈非線性分布。 楊廣慶等[12]研究發(fā)現(xiàn)土工格柵拉筋應(yīng)變變形在施工階段較大，工后階段小，擋墻下部土工格柵拉筋端部應(yīng)變隨填土高度變化較大， 因此應(yīng)嚴(yán)格控制臨近墻面板的填土壓實(shí)度，以防擋墻端部的土工格柵拉斷。

圖8 土工格柵最大應(yīng)變

從土工格柵與土體的相互作用看，隨著外力作用邊坡的產(chǎn)生變形， 引起土工格柵應(yīng)變應(yīng)變?cè)龃?，由于土工格柵與土體的摩擦咬合作用，土工格柵周圍有更多的土體強(qiáng)度被調(diào)動(dòng)， 相較于未加固邊坡，加筋邊坡在形成向連續(xù)貫通區(qū)發(fā)展的同時(shí)，土工格柵沿橫向作用，滑移面沿橫向發(fā)展，破壞時(shí)剪切屈服區(qū)域相對(duì)寬大， 加筋土擋墻邊坡相對(duì)未加固邊坡，有更強(qiáng)的整體性，滑移塊體相對(duì)較大，破壞區(qū)向坡體內(nèi)部發(fā)展，土工格柵與土體共同作用以抵抗邊坡的滑移，從而致使邊坡穩(wěn)定性提高[3]。

3 結(jié)論

（1）路堤表面沉降呈鞍馬狀，鋪設(shè)土工格柵能夠限制邊坡沉降，協(xié)調(diào)路堤不均勻沉降的作用，路堤沉降隨土工格柵間距減小而降低。 （2）進(jìn)行加筋土擋墻加固后，邊坡的水平位移明顯降低，擋墻墻面的最大水平位移發(fā)生在擋墻腰部，側(cè)向位移曲線呈“凸肚”形態(tài)。 （3）加筋土擋墻能夠有效加固路堤邊坡，改善邊坡內(nèi)部應(yīng)力分布情況，由于土工格柵橫向作用，滑動(dòng)面和滑塊體積均變大，從而提高邊坡穩(wěn)定性。 （4）加筋土擋墻中的土工格柵應(yīng)變呈非線性分布，土工格柵應(yīng)變隨著格柵間距的增加而增大。