土工格室與扶壁式擋土墻復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)的有限元分析

黃玉純

(南昌鐵路勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330002)

0 引言

土工格室作為一種三維土體加筋材料，相比二維格柵，具有極大的優(yōu)越性。其最直觀的優(yōu)點(diǎn)就是對于承載力的明顯提高[1-5]，土工格室在軟基中產(chǎn)生的應(yīng)力場對地基的變形機(jī)理產(chǎn)生一定的抑制作用，這類抑制作用通過旋轉(zhuǎn)主應(yīng)力方向來改變潛在的滑移機(jī)制，從而提高了承載力[6]。除此以外，通過改變土工格室自身參數(shù)及鋪設(shè)方式，對路基的各項(xiàng)性能均有不同提升[7-10]，還適用于不同強(qiáng)度路基及不同填料[11-12]。

隨著物流和交通行業(yè)的迅速發(fā)展，以及發(fā)展經(jīng)濟(jì)的需要，我國公路上大件貨物的運(yùn)輸增多，且部分貨車存在超載現(xiàn)象，嚴(yán)重縮短道路使用壽命。針對日益顯著的“重載交通”現(xiàn)象，非常有必要研究擋土墻與加筋土復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)的承載特性。黎寰等[13]通過有限元分析，得出該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。李浩等[14]以衡重式擋土墻為原型開展離心模型試驗(yàn)，研究了加筋土對擋土墻墻背所受土壓力與土體壓實(shí)度的相互作用規(guī)律。吳迪等[15]結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)與有限元研究不同規(guī)模交通荷載作用下的擋墻變形、筋材應(yīng)變。陳建峰等[16]結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)與有限元分析證實(shí)加筋土與擋土墻復(fù)合結(jié)構(gòu)承載性能優(yōu)越，對于軟土地基的大變形有良好的適應(yīng)能力?？梢钥闯?，目前學(xué)者對于此結(jié)構(gòu)的研究集中在以土工格柵或土工網(wǎng)加筋的擋土墻路基中，對于性能更好的土工格室則研究較少。此外，目前國內(nèi)公路總里程及分布密度的逐年上升，使得城鎮(zhèn)地區(qū)修建公路土地資源緊張。因此在前人的研究基礎(chǔ)上，以扶壁式擋土墻為對象進(jìn)行研究。扶壁式擋土墻由懸臂式擋土墻發(fā)展而來，廣泛應(yīng)用于高填方路基，可以大幅度減小放坡面積和填方工程量。本文以已有項(xiàng)目為模型，基于有限元軟件ABAQUS建立扶壁式擋土墻與土工格室加筋土層的三維模型，開展不同加筋層數(shù)下的現(xiàn)場比例工況模擬，研究附加應(yīng)力下該復(fù)合結(jié)構(gòu)的最大沉降值、擋土墻位移、筋材應(yīng)力隨加筋層數(shù)改變的演化規(guī)律，并提出可供現(xiàn)場設(shè)計(jì)參考的加筋方案，為類似結(jié)構(gòu)工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程背景

本文建模對象以余貴信大道為原型，其線路多處為扶壁式擋土墻填土路基，其中象山大橋附近采用了9.0 m以上的超高擋土墻。為減小竣工后長期交通荷載所引起的工后沉降，提高擋土墻工作穩(wěn)定性，在此處填土中植入土工格室。

2 模型建立相關(guān)參數(shù)

2.1 模型尺寸

以現(xiàn)場工程為建模對象，為降低計(jì)算過程中邊界效應(yīng)對結(jié)果的影響，提高計(jì)算效率，模型采取五扶壁結(jié)構(gòu)并只選半幅路基進(jìn)行計(jì)算，填筑路基總長為15 m，寬為10 m。擋土墻墻高為9.5 m，墻厚為0.5 m，扶壁厚度為0.3 m，扶壁間距為3 m，墻趾與墻踵板長分別為1 m和3 m，埋深1.5 m。

2.2 參數(shù)選取

在有限元模型中，可以將土工格室視為正交各向同性的線彈性材料[17]，土體本構(gòu)模型選取廣泛應(yīng)用于巖土工程問題中的Mohr-Coulomb模型[18]。擋土墻、路基、地基土之間的接觸設(shè)置為表面與表面接觸，接觸屬性切向罰函數(shù)，擋土墻與填土之間摩擦系數(shù)取0.65[19]，路基與地基土之間取0.3。法向接觸設(shè)置為硬接觸。耿大新[20]、Saad[21]等人通過研究得出利用ABAQUS中的“內(nèi)置區(qū)域”在土體中植入土工格室的方法分析有效，通過此種約束可以模擬土-筋界面的復(fù)雜接觸。具體計(jì)算參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 參數(shù)匯總

2.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

邊界條件:采用底部固定、兩側(cè)水平約束。

網(wǎng)格劃分:對研究對象進(jìn)行加密劃分可以兼顧計(jì)算精度與效率，故本次模擬對土工格室、路基及擋土墻進(jìn)行加密劃分，土體及擋墻采用六面體C3D8單元網(wǎng)格，土工格室網(wǎng)格類型為四邊形S4殼單元，以無筋工況為例，整個模型共105 289個節(jié)點(diǎn)，88 482個單元，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

2.4 工況設(shè)置

本次計(jì)算工況設(shè)置以筋材鋪設(shè)間距為變量進(jìn)行分析，所有工況下第一層土工格室位于墻高0.5 m處，設(shè)置間距為0.6 m、1.2 m、1.8 m 3種鋪設(shè)方式，研究各工況下路面最大沉降、各層土工格室應(yīng)力規(guī)律、擋土墻水平位移，并提出此種復(fù)合型支擋結(jié)構(gòu)下較為合理的加筋方式，為工程中相關(guān)結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 路面最大沉降分析

以1.8 m間距加筋工況為例，其豎向位移云圖如圖2所示?？梢钥闯觯两底畲髤^(qū)域位于道路中間區(qū)域，并向四周呈衰減式擴(kuò)散。將各個沉降最大區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)通過“xy輸出”導(dǎo)出，并取最大值，可得出各個工況下的路面最大沉降，如表2所示。觀察發(fā)現(xiàn)，在本次模擬工況范圍內(nèi)，計(jì)算得出的路面最大位移減小了4.2%～6.6%，這說明土工格室的“網(wǎng)兜”效應(yīng)起了作用，有效地將附加應(yīng)力往橫向分解，并通過各個格室之間相互平衡，最終起到控制路面沉降的作用。隨著鋪設(shè)間距越發(fā)密集，對于沉降的控制呈弱化規(guī)律，這說明少層加筋效益比高，多層加筋雖然對承載力有益，但效果有限，所以實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行筋材的鋪設(shè)。

表2 各工況路面豎向最大位移

圖2 豎向位移云圖

3.2 擋土墻水平位移分析

圖3為4種工況下?lián)跬翂λ轿灰埔?guī)律，s表示筋材鋪設(shè)間距?？傮w來看，由附加應(yīng)力引起的擋墻位移最大處位于擋墻底部，并與擋墻高度成反比?？梢钥闯?，土工格室的植入使擋土墻在外力作用下往填土另外一側(cè)位移的趨勢減弱，并隨著間距的減小，這一趨勢越來越明顯。這是由于土工格室抵擋了一部分本該作用于擋土墻上的附加應(yīng)力。具體數(shù)值如表3所示，在本次計(jì)算最密集加筋情況下，位移減小百分比可達(dá)16.7%，說明土工格室加筋對擋土墻的位移控制效果顯著。

圖3 各工況下?lián)跬翂ξ灰?/p>

表3 各工況擋墻最大位移

3.3 各層土工格室應(yīng)力分布規(guī)律

如圖4所示，(a)(b)(c)分別為3種不同間距鋪設(shè)方式下的各層土工格室Mises應(yīng)力云圖。Mises應(yīng)力考慮了第一、二、三主應(yīng)力，一般用于判斷延展性較好的材料，根據(jù)土工格室在土體中的受力情況，Mises應(yīng)力可以綜合考慮3個主方向上的受力情況?？梢钥闯?，在附加應(yīng)力作用下土層中的土工格室所受應(yīng)力沿深度方向逐漸減小，可知上層格室處于高度工作狀態(tài)，并由于應(yīng)力擴(kuò)散原理，兩側(cè)格室所受應(yīng)力要大于中間。此外，隨著加筋層數(shù)的提高，單層格室所受應(yīng)力顯著減小，可見多個格室之間均攤了上部荷載傳遞下來的筋材應(yīng)力。針對這點(diǎn)，對于實(shí)際工程土工格室的鋪設(shè)可以考慮在上層進(jìn)行加密鋪設(shè)處理。

(a)1.8 m間距加筋

(b)1.2 m間距加筋

(c)0.6 m間距加筋

4 結(jié)論

本文通過ABAQUS有限元軟件對土工格室與扶壁式擋墻復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行4種工況的模擬，計(jì)算結(jié)果如下。

1)土工格室可以減小擋土墻路基中的豎向沉降，但隨著層數(shù)的提高，加筋的效益并沒有顯著提高。

2)附加荷載作用下?lián)跬翂Φ撞康奈灰谱畲?，往頂部發(fā)展越來越小。通過土工格室的植入，對擋土墻位移的控制最高可達(dá)16.7%。

3)各層土工格室所受應(yīng)力隨土層加深越來越小，且隨著筋材層數(shù)增多，各層之間相互分?jǐn)偹軕?yīng)力。

因此，采用上密下疏的加筋方式在土工格室和扶壁式擋土墻復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)中效益較高。