加筋土擋墻拐角部位應(yīng)力應(yīng)變特征研究

龍建輝，李鴻強(qiáng)，2，孫自強(qiáng)，郭曉娟

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，太原 030013； 3.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610051)

加筋土擋墻是最常用的加筋土結(jié)構(gòu)之一，被廣泛應(yīng)用于道路、堤岸以及邊坡防護(hù)等工程中。山西其亞鋁業(yè)的《年產(chǎn)240萬(wàn)t Al(OH)3和60萬(wàn)t高精鋁板帶箔項(xiàng)目》作為省內(nèi)招商引資的重點(diǎn)項(xiàng)目，治理區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地平整采用“高挖低填”方案，填方區(qū)采用“灰土擠密樁+回填碾壓+土工格柵加筋土擋墻+排水”的綜合治理措施。為滿足地基承載力要求，采用灰土擠密樁對(duì)地基進(jìn)行處理，樁徑400 mm，樁間距1 m，梅花形布置，樁長(zhǎng)10 m，樁身采用體積比為2∶8灰土。樁身需分層夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)大于96%.灰土擠密樁樁身所用石灰采用Ⅰ級(jí)生石灰，所用土宜為砂土并應(yīng)進(jìn)行過(guò)篩，篩孔孔徑不大于20 mm.樁孔回填結(jié)束并檢測(cè)合格后，挖除樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上覆土，回填50 cm灰土，灰土壓實(shí)度應(yīng)滿足規(guī)范要求，且大于95%.土工格柵采用鋼塑土工格柵，鋪設(shè)長(zhǎng)度0.7hm(h為墻高)，豎向間距0.5 m，填料選用就地取材的Q3或Q2黃土；面板采用C25現(xiàn)澆混凝土面板。

在布設(shè)該工程的加筋土擋墻時(shí)，需要參考規(guī)范，但發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的研究和規(guī)定不是很多[1-3]。劉曉明等[4]分析了某加筋土擋土墻易出現(xiàn)鼓脹的原因，發(fā)現(xiàn)主要是由于凸角部位的特殊形態(tài)，并且分析了該處易鼓脹的原因，總結(jié)出該處比直線部位對(duì)工程更為不利。JUNG et al[5]認(rèn)為加筋土擋土墻在彎曲部分的強(qiáng)度不足，于是研究了凹形和凸形兩種截面在水平向上的形變量差異，得出凸形彎曲段的水平位移大于凹形段。ZHANG et al[6-7]在極限平衡理論的基礎(chǔ)上，分析了加筋土擋墻拐角部位在不同幾何參數(shù)和材料屬性下對(duì)三維斜坡穩(wěn)定性的影響；之后，通過(guò)分析三維斜坡內(nèi)部的穩(wěn)定性，得出了可計(jì)算其拐角部位加固長(zhǎng)度以及所需強(qiáng)度的算法。HUANG et al[8]經(jīng)探究，在有施工及附加荷載的情況下，對(duì)利用土本構(gòu)模型進(jìn)行FLAC建?？梢灶A(yù)測(cè)響應(yīng)給出了肯定的結(jié)論。陳建峰等[9]為了探究在荷載作用下加筋土擋墻的變形和受力原理，借助FLAC3D軟件，在離心試驗(yàn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了加筋土擋墻模型?？傮w來(lái)說(shuō)，關(guān)于加筋土擋墻的探討大部分是針對(duì)直線型擋墻展開(kāi)的，討論其斷面的受力變形狀況，然而關(guān)于加筋土擋墻拐角部位的研究比較少。而當(dāng)擋墻從直線段的二維平面應(yīng)變過(guò)渡到拐角段的三維應(yīng)變后，二維平面分析的方法明顯不足。因此，本文以加筋土擋墻拐角部位為研究對(duì)象，借助FLAC3D巖土分析軟件構(gòu)建了三維數(shù)值模型，探究該部位的應(yīng)力應(yīng)變特征。

1 加筋土擋墻拐角部位的三維模型

1.1 3D幾何模型

總結(jié)已有研究成果可知，在整體穩(wěn)定性方面，加筋土擋墻受面板影響不大[10]，因此出于方便考慮，在模擬中不設(shè)置面板單元，除此之外，針對(duì)筋材間和墻后填土的差別、地基形變也不考慮[11]。3D模型中的加筋土擋墻選用拐角為90 °的單級(jí)直立式，參數(shù)設(shè)置：底部為厚1 m的地基、墻體長(zhǎng)和寬均為30 m，墻高為10 m.在模型底部固定其x、y和z軸方向的速度，拐角兩側(cè)墻面(面x=0、面y=0)和頂面為自由邊界，拐角兩側(cè)墻面的對(duì)立面(面x=30、面y=30)分別固定其x軸、y軸方向的速度。

在三維模型中，為方便對(duì)拐角部位的形變進(jìn)行描述，挑選了8個(gè)特征部位以更好地剖析拐角處位移，分別是5 m線、10 m線、15 m線、20 m線、25 m線、墻面頂部線、拐角線以及墻頂拐角平分線，圖1即為具體幾何模型圖。選用雙向土工格柵作為筋材，鋪設(shè)長(zhǎng)度是墻高的0.7倍即7 m，豎向每0.5 m鋪設(shè)一層，布設(shè)形式見(jiàn)圖2.

圖1 拐角數(shù)值模型圖Fig.1 Numerical model of corner

圖2 土工格柵布設(shè)圖Fig.2 Schematic of geogrid

1.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)選取

在對(duì)山西其亞鋁業(yè)的《年產(chǎn)240萬(wàn)t Al(OH)3和60萬(wàn)t高精鋁板帶箔項(xiàng)目》進(jìn)行加筋土擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，將就地取材的砂土作為填土，GSZ型雙向粘結(jié)、焊接鋼塑土工格柵為主要材料，填土和地基的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型是最通用的巖土本構(gòu)模型，它適用于那些在剪應(yīng)力下屈服，但剪應(yīng)力只取決于最大、最小主應(yīng)力，而第二主應(yīng)力對(duì)屈服不產(chǎn)生影響的材料。根據(jù)勘察資料及相關(guān)研究資料[12-13]，填土與地基參數(shù)見(jiàn)表1；土工格柵采用FLAC3D內(nèi)置的Geogrid單元，其物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表1 地基與填土相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of foundation and filling

表2 土工格柵的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of geogrid

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 位移分析

加筋土擋墻整體位移見(jiàn)圖3，位移沿拐角平分線呈對(duì)稱分布，最大位移位于拐角部位的頂點(diǎn)。

圖3 加筋土擋墻整體位移Fig.3 Deformation of reinforced earth retaining wall

圖4為墻面頂部線上的豎向位移，最大豎向位移在拐角處，隨著與拐角距離的增加，豎向位移逐漸減小，且約從15 m處開(kāi)始基本保持不變，可以認(rèn)為此時(shí)的位移規(guī)律已過(guò)渡為直線型擋墻[14-15]。

圖5為墻面頂部線上的水平位移，將該水平位移沿垂直墻面和平行墻面的兩個(gè)方向分解為兩部分。在拐角處，兩個(gè)方向上的位移量相同，隨著與拐角距離的增加，垂直墻面的水平位移逐漸增大并趨向于一定值，而平行墻面的水平位移逐漸減小。通常認(rèn)為直線型擋墻只發(fā)生二維平面應(yīng)變，即水平位移的方向垂直于墻面，在平行墻面的方向上并沒(méi)有水平變形。

圖4 墻面頂部豎向位移Fig.4 Vertical displacement at the top of wall surface

圖5 墻頂部的水平位移Fig.5 Horizontal displacement of the top of wall

圖6為拐角線、5 m線、10 m線、15 m線和20 m線上的水平位移，分垂直墻面和平行墻面繪制。垂直墻面的水平位移呈鼓脹狀，這與其他學(xué)者研究的規(guī)律一致[16-18]，距離拐角越遠(yuǎn)，垂直墻面的水平位移越大，到15 m線和20 m線時(shí)已基本重合，都趨于穩(wěn)定。綜合圖4、圖5認(rèn)為，15 m線處已過(guò)渡到直線部位的變形規(guī)律；平行墻面的水平位移除拐角線上為鼓脹狀外，其它各條線均近似為直線，距離拐角越遠(yuǎn)，平行墻面的水平位移越??；通過(guò)比較拐角線上兩個(gè)方向墻面的形變特征發(fā)現(xiàn)，兩者的形態(tài)趨勢(shì)差不多，這是由于拐角線是兩側(cè)的對(duì)稱軸，所以變形呈對(duì)稱分布。

2.2 格柵拉應(yīng)力分布分析

格柵拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖7.可以看出，拐角部位的拉應(yīng)力在頂層呈X狀，其交叉點(diǎn)附近為最大拉應(yīng)力分布區(qū)域，隨著格柵的下移，該交叉區(qū)域逐漸向拐角線靠近，即最大拉應(yīng)力距墻面越來(lái)越近；圖中C處為擋墻拐角部位與直線部位之間的過(guò)渡區(qū)域。

圖7 格柵拉應(yīng)力分布圖Fig.7 Tensile stress distribution of grid

圖8為拐角線所在的沿墻頂拐角平分線的剖面和25 m線所在的垂直墻面的剖面上的各層格柵拉應(yīng)力。圖8(a)為各層格柵上最大拉應(yīng)力點(diǎn)位置的連線(為便于直觀比較，拐角線所在剖面上各點(diǎn)取距離墻面的垂直距離)，從墻高5 m開(kāi)始，拐角部位最大拉應(yīng)力點(diǎn)的位置相比直線部位最大拉應(yīng)力點(diǎn)的位置更加靠近擋墻內(nèi)部，可以認(rèn)為拐角部位的潛在破裂面比直線部位更加深入擋墻內(nèi)部，即破壞范圍更大。圖8(b)是所有土工格柵層的最大拉應(yīng)力值連線，拐角處僅在數(shù)值上比直線部位更大，其他規(guī)律一致。

圖8 直線與拐角部位的最大拉應(yīng)力曲線Fig.8 Maximum tensile stress curve at straight and corner locations

圖9為由拐角部位最大主應(yīng)變?cè)隽吭茍D得到的潛在破裂面示意圖，其與兩側(cè)墻面相交，形態(tài)上類似于滑坡的圈椅狀滑面。

圖9 拐角處破裂潛伏面Fig.9 Potential failure surface at the corner

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

HOSSEININIA et al[19]將加筋土結(jié)構(gòu)物中的界面效應(yīng)考慮為兩相系統(tǒng)中的剛塑性接觸，并用其模擬了加筋土擋墻的結(jié)構(gòu)行為，獲得的結(jié)果與模型試驗(yàn)所得結(jié)果一致。圖10為其擋墻墻面水平位移(Q為墻頂施加豎向荷載)。由上述可知在15 m線后擋墻位移規(guī)律已過(guò)渡到直線擋墻的位移規(guī)律，將20 m線以及其所在剖面上獲得的位移規(guī)律與該學(xué)者研究成果中的位移規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，本文的研究成果與其基本吻合，進(jìn)而說(shuō)明本次數(shù)值模型的正確性及合理性。

圖10 墻面水平位移[19]Fig.10 Horizontal deformation of wall surface[19]

3 拐角處受力變形剖析

加筋土擋墻拐角部位產(chǎn)生特殊的形變主要是由其特殊的墻體形態(tài)和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。因此在加筋土擋墻直線部位的中間取一微小截?cái)?，并在拐角部位拐角平分線處取一微小截?cái)?，做平面受力分析，具體見(jiàn)圖11.對(duì)于直線部位的截?cái)?見(jiàn)圖11上虛線處)，由于填土重力存在，斷面主要受到來(lái)自兩側(cè)土體給的壓力E1、E2，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生朝向臨空一側(cè)的主動(dòng)土壓力Ea.當(dāng)左右側(cè)的各項(xiàng)參數(shù)一致時(shí)，E1和E2就會(huì)等大反向且共線，該截?cái)喈a(chǎn)生的主動(dòng)土壓力就是Ea.

圖11 斷面受力分析示意圖Fig.11 Schematic diagram of section stress analysis

圖12為擋墻潛在破裂面的平面分布圖。墻后填土對(duì)擋墻面板的作用力為T.擋墻的變形破壞過(guò)程要經(jīng)歷裂隙形成、擴(kuò)展、破裂面組合貫通，最終才會(huì)導(dǎo)致大的位移破壞。直線擋墻的潛在破裂面在平面上為一條平行于墻面的直線，而拐角部位的潛在破裂面在平面形態(tài)上為一條與兩側(cè)墻面相交的曲線。破裂面貫通所需的面積減小使得拐角部位破裂面貫通的可能性更大，即發(fā)生大的位移破壞的可能性較直線部位更大。

圖12 潛在破裂面的平面分布圖Fig.12 Plane distribution of potential fracture surface

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)加筋土擋墻拐角部位應(yīng)力應(yīng)變特征的研究和力學(xué)分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 拐角部位的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律與直線部位主要區(qū)別在于：a.拐角部位的水平位移在垂直和平行墻面的兩個(gè)方向都有發(fā)生，而直線擋墻只在垂直墻面的方向有水平位移；b.單層土工格柵上，對(duì)于拉應(yīng)力的分布，呈X型的拐角部位和與墻面平行的直線部位是完全不同的，且格柵越靠近擋墻下部，該X型的交點(diǎn)距離墻面越近；c.拐角處破裂潛伏面表現(xiàn)出圈椅狀的形態(tài)，和兩墻面都有相交。

2) 特殊的墻體形態(tài)和結(jié)構(gòu)使得加筋土擋墻拐角部位更易發(fā)生位移破壞，應(yīng)該引起研究和設(shè)計(jì)人員的重視。拐角部位墻面方向的轉(zhuǎn)變使得擋墻產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力增大，是拐角部位水平位移較大的主要原因。拐角部位的墻體形態(tài)使得潛在破裂面貫通的可能性更大，也更容易在拐角部位發(fā)生較大的位移破壞。