返包式加筋土擋墻的數(shù)值模擬研究

任 鑫

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

在山區(qū)公路建設(shè)中，由于地形、地貌和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，高填方邊坡工程日益增多，傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)如重力式、懸臂式擋土墻，雖然設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，卻存在明顯的缺陷：(1)對(duì)公路沿線造成不同程度的生態(tài)和環(huán)境破壞；(2)占用大量寶貴的土地資源；(3)工程量大、工期長(zhǎng)；(4)工程造價(jià)高。而加筋土技術(shù)，通過(guò)在土體中成層埋設(shè)高模量的加筋材料，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，使填方邊坡坡度增大，由此減小土方用量，節(jié)約工程占地，提高經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)應(yīng)用廣泛的返包式加筋土結(jié)構(gòu)[1]利用加筋材料返包形成結(jié)構(gòu)物坡面，具有更好的地基適應(yīng)性以及更輕的自重,且其返包面可通過(guò)植草技術(shù)進(jìn)行坡面綠化,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境相結(jié)合。

雖然加筋土結(jié)構(gòu)已經(jīng)被采用數(shù)十年，但目前對(duì)其力學(xué)特性和破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不足。相關(guān)研究學(xué)者通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段[2-5]，研究了加筋土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和加筋機(jī)理,得到許多有益的結(jié)論。上部有路肩填土作為超載的加筋土路堤是山區(qū)公路、鐵路建設(shè)中一種獨(dú)特但應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)上述結(jié)構(gòu)施工期間和竣工后的性能和穩(wěn)定性研究很少。

本文依托中國(guó)西南山區(qū)一典型的返包式加筋土擋墻，其上部為8m高的未加筋路肩，下部為14m高的土工格柵加筋路堤，采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)其建模分析，研究返包式加筋土擋墻的水平位移、剪應(yīng)力分布規(guī)律及穩(wěn)定性，該研究對(duì)指導(dǎo)西南山區(qū)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖擋墻施工建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值，為返包式加筋擋墻的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

該返包式加筋土擋墻位于四川省甘孜州貓子坪至磨西改建公路工程K2+180-K2+299.5段，結(jié)構(gòu)總高度為22m。擋墻下級(jí)為高14m，坡率1∶1的加筋路堤，上級(jí)為高8m，坡率1∶1.5的素填土路肩，路堤與路肩之間設(shè)2m寬的平臺(tái)。路堤及路肩填土均就近采用西南山區(qū)典型的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖碎石土，加筋材料采用GATTDG-150型聚合土工格柵，共設(shè)置27層，下部10層長(zhǎng)度為14m，上部17層長(zhǎng)度為18m，層間距均為0.5m，每層筋材在坡面端部處預(yù)留3m包裹、折回。

2 數(shù)值模型的建立

采用三維有限差分軟件FLAC3D模擬加筋土擋墻的力學(xué)性能，由于路堤具有對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化分析，選擇對(duì)路堤結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模，模型縱向取路堤分段長(zhǎng)度4m。巖土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，筋材采用FLAC3D中內(nèi)置的Geogrid結(jié)構(gòu)單元，在這種單元中，筋土間的摩擦特性通過(guò)彈簧-滑塊系統(tǒng)來(lái)模擬[6]，筋材及筋土界面特性參數(shù)見(jiàn)表2。在模型底部(z=0平面)，x、y和z這3方向的位移均約束為0；約束x=0m(擋墻對(duì)稱中心)和x=32m兩個(gè)豎直面的x向位移為 0；約束y=0.0m和y=4m兩個(gè)豎直面上y向位移為 0。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

表2 筋材及筋土界面的力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

圖1、圖2分別為未加筋擋墻、加筋擋墻水平位移等值線圖，由圖1可知，未加筋擋墻最大水平位移出現(xiàn)在路堤中下部，其值為27mm，擋墻的側(cè)向變形呈沿坡面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸減小的趨勢(shì)，出現(xiàn)明顯的“鼓肚”[7]，但擋墻的整體變形并不是很大。由圖2可知，加筋后擋墻的最大水平位移仍出現(xiàn)在路堤坡面中部，其值為17mm，相對(duì)于未加筋擋墻，最大水平位移減小了37 %，說(shuō)明在擋墻中鋪設(shè)土工格柵能夠顯著降低擋墻的側(cè)向變形。

圖1 未加筋擋墻水平位移等值線

圖2 加筋擋墻水平位移等值線

3.2 應(yīng)力分析

圖3，圖4分別為未加筋擋墻、加筋擋墻剪應(yīng)力等值線圖。由圖3可知，未加筋擋墻的最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在路堤底部靠近坡面位置，最大剪應(yīng)力為 72kPa，整體來(lái)看，路堤坡面附近剪應(yīng)力分布較均勻。由圖4可知，加筋后最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置同未加筋擋墻。最大剪應(yīng)力值為65kPa，相對(duì)于未加筋擋墻僅下降了13 %，但從剪應(yīng)力分布情況來(lái)看，加筋后剪應(yīng)力分布明顯比未加筋擋墻更均勻，擋墻范圍內(nèi)僅存在很少的的剪應(yīng)力為負(fù)的區(qū)域，且未出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也說(shuō)明加筋可以改善擋墻內(nèi)部剪應(yīng)力的分布，筋土之間的傳遞分散作用能夠減少剪應(yīng)力集中，從而提高擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性。

圖3 未加筋擋墻剪應(yīng)力等值線

圖4 加筋擋墻剪應(yīng)力等值線

3.3 穩(wěn)定性分析

圖5、圖6分別為未加筋擋墻、加筋擋墻的最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，對(duì)比分析圖5、圖6可以得到如下結(jié)論：(1)未加筋時(shí)，弧形的塑性區(qū)從路堤坡腳開始向上延伸直至路肩坡腳，如果不采取有效的支護(hù)措施，將容易出現(xiàn)滑移破壞；(2)加入筋材后，塑性區(qū)的位置發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移，整個(gè)塑性區(qū)往加筋結(jié)構(gòu)內(nèi)部和上部轉(zhuǎn)移，也就是說(shuō)，加筋后滑動(dòng)土體體積增大，加筋結(jié)構(gòu)更加安全。此外，采用強(qiáng)度折減法[8]分別對(duì)未加筋與加筋擋墻的安全系數(shù)進(jìn)行求解，未加筋擋墻的安全系數(shù)為1.08，加筋擋墻的安全系數(shù)為1.74，可見(jiàn)加筋后路堤擋墻的穩(wěn)定性有了很大提高。

圖5 未加筋擋墻最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖6 加筋擋墻最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

4 結(jié)論

本研究采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)一22m高的返包 式加筋土擋墻進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探討了加筋擋墻水平位移、剪應(yīng)力的分布規(guī)律以及穩(wěn)定性。得到以下結(jié)論：

(1)加筋前后擋墻的側(cè)向變形均沿坡面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸減小，出現(xiàn)明顯的“鼓肚”。

(2)在擋墻中鋪設(shè)土工格柵能夠顯著降低路基的側(cè)向變形。

(3)筋帶可以改善擋墻內(nèi)部剪應(yīng)力的分布，筋土之間的傳遞分散作可以減少剪應(yīng)力集中，從而提高內(nèi)部穩(wěn)定性。

(3)采用強(qiáng)度折減法對(duì)未加筋擋墻和加筋擋墻的安全系數(shù)進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)加筋后擋墻穩(wěn)定性明顯提高。