垂直裂隙對加筋擋土墻穩(wěn)定性的影響

摘 要：為研究垂直裂隙對加筋擋土墻的穩(wěn)定性影響，該文采用OPTUM G2有限元軟件模擬垂直裂隙在干燥與飽水工況下加筋擋土墻的穩(wěn)定性。相對干燥條件下，隨垂直裂隙深度的增加，墻后垂直裂隙在飽和工況下，擋土墻安全系數(shù)下降顯著；隨土工格柵長度的增加，裂隙區(qū)干燥與飽和條件下，擋土墻安全系數(shù)均增大。上述研究結(jié)果可為加筋擋土墻的施工與設(shè)計提供一定數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：垂直裂隙；加筋擋土墻；數(shù)值模擬；安全穩(wěn)定；模擬分析

中圖分類號：TU41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0056-04

Abstract： In order to study the influence of vertical cleavage on the stability of reinforced retaining wall， this paper uses OPTUM G2 finite element software to simulate the stability of reinforced retaining wall with vertical cleavage under dry and saturated conditions. Under relatively dry conditions， with the increase of vertical cleavage depth， the vertical cleavage behind the wall in the saturated condition， the retaining wall safety coefficient decreases significantly; with the increase of the length of the geogrid， the cleavage area of the retaining wall safety coefficient increases under both dry and saturated conditions. The above research results can provide certain data reference for the construction and design of reinforced retaining wall.

Keywords： vertical crack; reinforced retaining wall; numerical simulation; safety and stability; simulation analysis

我國西北地區(qū)黃土面積分布廣泛，但由于存在大量的垂直裂隙，裂隙極其發(fā)育，導(dǎo)致邊坡整體或局部穩(wěn)定性急劇降低，且加之大量的雨水灌入至垂直裂隙中，使裂隙區(qū)土體孔壓增大，有效應(yīng)力減小，加速了裂隙漸進式的擴展，導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)[1-5]。目前，加筋擋土墻應(yīng)用廣泛，加筋材料具有變形量大、耐腐蝕性強、抗老化和耐久性好等優(yōu)點，使得加筋材料一般用于高填路段，其力學(xué)性能對路基安全的影響較大[6-7]。因此，很多學(xué)者對土工格柵增強土體強度進行了許多研究，并廣泛地應(yīng)用在路基邊坡防護等實際工程中，取得顯著的成效[9-11]。

值得注意的是，以上成果分析大多集中分析無裂隙工況下，加筋擋土墻穩(wěn)定性的影響，沒有考慮垂直裂隙的存在對加筋擋土墻穩(wěn)定性的影響，這對研究黃土地區(qū)加筋擋土墻穩(wěn)定性具有重要參考意義。鑒于此，本文針對含垂直裂隙加筋擋土墻穩(wěn)定性問題，采用OPTUM G2數(shù)值軟件，分析了垂直裂隙處于干燥與充滿水工況下，加筋擋土墻的穩(wěn)定性，確定不同垂直裂隙深度對加筋擋土墻破壞模式與安全系數(shù)的變化規(guī)律，這對分析含垂直裂隙的加筋擋土墻發(fā)生失穩(wěn)破壞具有重要借鑒意義。

1 有限元數(shù)值分析

模型建立與參數(shù)取值。為簡化計算，數(shù)值模擬中將各種復(fù)雜的裂隙簡化為垂直裂隙，考慮了2種情況為干裂隙和充滿水的垂直裂隙，模型中的垂直裂隙采用剪切節(jié)理模擬，剪切節(jié)理的黏聚力取0，內(nèi)摩擦角取12.5°，具體材料參數(shù)見表1。為了模擬充滿水的垂直裂隙，即防止垂直裂隙中的水流入邊坡，邊坡材料選擇的是無孔，通過地下水位來指定垂直裂隙中的含水情況。數(shù)值模型中，墻高6.3 m，墻后填土的加筋材料采用土工格柵進行模擬（抗拉作用強，可視為加筋材料），土工格柵抗拉強度取45 kN/m，并夾在構(gòu)成墻體的砌塊之間，加筋擋土墻的土工格柵長度分別為L=2.5 m、5 m和10 m，其鋪設(shè)的豎向間距均為0.7 m。墻后填土中的垂直裂隙深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、3.0 m及4.5 m，且共有3處垂直裂隙。加筋擋土墻的幾何數(shù)值模型如圖1所示，圖中垂直裂隙的深度為3.0 m。

2 數(shù)值結(jié)果

2.1 墻背塑性區(qū)分析

圖2為墻后垂直裂隙干燥與飽和工況下，未加筋擋土墻塑性區(qū)破壞情況。從圖2可知，墻后垂直裂隙干燥時，在墻背土壓力的驅(qū)動下，潛在破壞面沿著墻背發(fā)生失穩(wěn)破壞；而墻后垂直裂隙飽和時，在墻背土壓力與垂直裂隙水壓力的共同驅(qū)動下，潛在破壞面易沿著垂直裂隙處發(fā)生失穩(wěn)破壞，加劇了擋墻的破壞。因此，當(dāng)墻背垂直裂隙充滿水后對墻體穩(wěn)定性影響較大，故通過采用加筋措施，使墻體與墻背回填土形成整體，增加墻后填土的延性與韌性，以此提高墻體整體穩(wěn)定性。

圖3為裂隙飽和工況下加筋擋土墻塑性區(qū)變化云圖。從圖3可知，垂直裂隙飽和工況下，不同土工格柵長度的加筋擋土墻塑性區(qū)分布。隨土工格柵長度的增加，加筋擋墻的塑性區(qū)集中在墻趾附近，并未向上延伸，說明加筋措施有效地抑制了墻背塑性區(qū)的發(fā)展，增加了墻體的整體穩(wěn)定性。此外，隨土工格柵長度的增加，墻體潛在滑移面距墻趾較遠(yuǎn)，潛在滑移面穿過土工格柵有效長度區(qū)域，使土工格柵較好發(fā)揮其抗拉及抗剪切力學(xué)特性，與墻背填土形成整體的“錨固系統(tǒng)”，有效地牽制墻背填土塑性區(qū)的持續(xù)性貫通，進一步增強了墻體的安全穩(wěn)定。

2.2 安全系數(shù)

圖4為隨垂直裂隙深度的增加，無加筋擋土墻安全系數(shù)變化。從圖4可看出，未加筋情況下，隨垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙處于干燥條件下，墻體安全系數(shù)不變或變化不明顯；當(dāng)墻后垂直裂隙充滿水時，墻體安全系數(shù)下降顯著，尤其垂直裂隙長度為0.5 m位置處；相對于裂隙干燥工況下，隨垂直裂隙深度的增加，墻后垂直裂隙充滿水的墻體安全系數(shù)最大降低約18.6%，說明墻后填土中的垂直裂隙充滿水時，對墻體安全穩(wěn)定影響較大。為此，在實際工程中，若墻后發(fā)現(xiàn)有垂直裂隙存在時，應(yīng)及時采取措施補救，防止外界雨水入滲回灌和人為因素導(dǎo)致墻體發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

如圖5所示（結(jié)合表2），為垂直裂隙飽和工況下，隨垂直裂隙深度的增加，不同長度土工格柵加筋擋土墻的安全系數(shù)下降。垂直裂隙深度為0.5 m時，加筋擋土墻安全系數(shù)下降尤為顯著，相比無裂隙加筋擋土墻，降低了14.2%。相比無加筋擋土墻，墻后垂直裂隙深度擴展到4.5 m時，加筋擋土墻（土工格柵長度2.5 m）安全系數(shù)提高約27.1%，加筋擋土墻（土工格柵長度5 m）安全系數(shù)提高約21.2%，加筋擋土墻（土工格柵長度10 m）安全系數(shù)提高約43.1%。說明墻后垂直裂隙深度擴展到4.5 m時，加筋擋土墻安全系數(shù)隨土工格柵長度增加而增加，土工格柵長度越長，擋土墻穩(wěn)定性越高。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬垂直裂隙處于干燥與充滿水工況下加筋擋土墻的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

1）未加筋情況下，隨垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙干燥條件下，墻體安全系數(shù)不變或變化不明顯，當(dāng)墻后垂直裂隙充滿水時，擋土墻安全系數(shù)下降尤為顯著。

2）加筋土擋土墻有效地抑制了墻背填土塑性區(qū)的發(fā)展，顯著增強了擋土墻的穩(wěn)定性。

3）土工格柵越長，將很大程度上與墻后填土顆粒形成聯(lián)動加固作用，使得裂隙處于干燥與充滿水工況下?lián)跬翂Π踩禂?shù)越高，其穩(wěn)定性越好。

以上加筋擋土墻模擬結(jié)果可用于指導(dǎo)加筋擋土墻的設(shè)計與施工，有利于豐富加筋擋土墻的計算與分析手段，以此確保加筋擋土墻工程的穩(wěn)定與安全。

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基金項目：陜西省教育廳2023年科學(xué)研究計劃項目（23JK00699）

第一作者簡介：仝宵（1992-），女，助理工程師。研究方向為邊坡穩(wěn)定性分析。