臺(tái)階式加筋土擋墻豎向附加壓力探討分析

王東東

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，472000)

臺(tái)階式加筋土擋墻豎向附加壓力探討分析

王東東

(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，472000)

以梅坎鐵路雙級(jí)土工格柵加筋土擋墻為原型，應(yīng)用大型非線(xiàn)性有限元軟件ANSYS建立加筋土擋墻模型，分析不同臺(tái)階寬度時(shí)，上級(jí)擋墻對(duì)下級(jí)擋墻產(chǎn)生的附加壓力。分析得出上級(jí)擋墻產(chǎn)生的附加壓力按一定的角度擴(kuò)散到下級(jí)擋墻，隨著臺(tái)階寬度的增加，上級(jí)擋墻產(chǎn)生的附加壓力對(duì)面板處單元的影響減小。根據(jù)以往研究人員的結(jié)論，引入壓力擴(kuò)散角的概念，提出一套計(jì)算上級(jí)擋墻對(duì)下級(jí)擋墻產(chǎn)生附加壓力的計(jì)算方法。

臺(tái)階；加筋土擋墻；附加壓力；擴(kuò)散角

近些年來(lái)，我國(guó)公路、鐵路、水利水電等行業(yè)都進(jìn)入了大規(guī)模的工程建設(shè)期，在建設(shè)中，加筋土擋墻發(fā)揮了很大的作用，但是由于工程難度的加大，許多高填方地段都需要修建超高級(jí)的擋墻，我國(guó)規(guī)范對(duì)加筋土擋墻的高度有明確的規(guī)定，因此需要建設(shè)新形式的加筋土擋墻，多級(jí)加筋土擋墻就是其中的一種。多級(jí)擋墻和單級(jí)擋墻相比，在計(jì)算的內(nèi)容上是相同的，都是進(jìn)行擋墻的內(nèi)、外部穩(wěn)定性分析，不同之處是在進(jìn)行內(nèi)、外部穩(wěn)定性分析時(shí)，上級(jí)擋墻對(duì)下級(jí)擋墻的影響，在設(shè)計(jì)多級(jí)擋墻時(shí)如何考慮這種影響。通過(guò)和單級(jí)擋墻設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于多級(jí)擋墻的設(shè)計(jì)我們需要考慮的問(wèn)題有如下幾個(gè)方面。

(1)跳臺(tái)寬度D對(duì)設(shè)計(jì)的影響。我們可以運(yùn)用數(shù)學(xué)的思維考慮一下這個(gè)問(wèn)題，假如跳臺(tái)跨度為0 m，則可以按單級(jí)擋墻設(shè)計(jì)，當(dāng)跳臺(tái)寬度為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，上級(jí)墻對(duì)下級(jí)墻沒(méi)有任何影響，可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此跳臺(tái)寬度對(duì)擋墻的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的指標(biāo)。

(2)多級(jí)擋墻的破裂面形狀。單級(jí)擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)規(guī)范采用的是雙折線(xiàn)形，即擋墻上部是和墻面平行的直線(xiàn)距墻面的距離是0.3H，下部采用的是郎肯破裂面。對(duì)于多級(jí)擋墻的破裂面形狀如何確定，這關(guān)系到擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性的計(jì)算。

(3)土壓力系數(shù)K的取值。單級(jí)擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)規(guī)范采取的是變系數(shù)法。多級(jí)擋墻土壓力系數(shù)的取值關(guān)系到了拉筋強(qiáng)度和長(zhǎng)度的取值。

本文將重點(diǎn)探討豎向附加壓力的計(jì)算。首先以王祥[1]在梅坎鐵路監(jiān)測(cè)的土工格柵雙級(jí)加筋土擋墻為模型建立有限元模型分析不同臺(tái)階寬度對(duì)不同高度單元豎向附加壓力的影響，并且根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和以往研究人員的原型測(cè)試結(jié)論，提出了一套計(jì)算附加壓力的計(jì)算方法。

1.臺(tái)階式擋墻數(shù)值模擬

1.1 模型建立

有限元模型的建立依據(jù)王祥等在梅坎鐵路監(jiān)測(cè)的土工格柵雙級(jí)加筋土擋墻，該擋墻分為兩級(jí)其中上級(jí)墻高為6.4 m，下級(jí)墻高為1.0～7.6 m，兩級(jí)墻之間設(shè)2.5 m的跳臺(tái)。墻面板采用的是混凝土預(yù)制板，面板長(zhǎng)1.1 m，寬0.6 m，厚0.12 m，拉筋采用的是國(guó)產(chǎn)SDL-50型單向拉伸土工格柵，幅寬為1.1 m，極限抗拉強(qiáng)度為50 kNm-1。拉筋分層滿(mǎn)鋪與填土面上，拉筋之間的間距為0.3 m，拉筋長(zhǎng)度為10 m。在建立模型是為了減少計(jì)算占用的內(nèi)存，我們?cè)诮⒛Ｐ蜁r(shí)作如下一些處理，只建立下級(jí)擋墻的有限模型，在下級(jí)墻的頂面上作用線(xiàn)性荷載來(lái)模擬上級(jí)擋墻傳遞下來(lái)的附加壓力，通過(guò)改變距墻面板的距離來(lái)假設(shè)跳臺(tái)寬度D的變化。按平面應(yīng)變建立有限元模型，模型中土體單元采用ANSYS中的Plane42，筋材單元采用Link1單元，面板單元采用Beam3單元，在筋土和面板與土之間用Contac12點(diǎn)點(diǎn)接觸單元模擬它們之間的相互接觸。土體的本構(gòu)模型采用D-P理想彈塑性模型，筋材和面板采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。建立模型時(shí)一些參數(shù)的取值如表1、表2所示。

圖1 臺(tái)階寬度2 m有限元模型

表1 物理參數(shù)取值表

表2 接觸面單元參數(shù)

1.2 結(jié)果分析

為了分析下級(jí)擋墻不同深度在跳臺(tái)寬度D變化時(shí)的應(yīng)力值，在分析時(shí)取距離墻面板同一距離不同深度的單元進(jìn)行分析，同時(shí)為了考慮同一深度不同位置處單元的應(yīng)力值，取在同一深度距墻面板不同距離的土體單元進(jìn)行分析。

圖2 跳臺(tái)寬度2 m豎向應(yīng)力圖

(1)在H=7.2 m處取距墻面板0.5 m、1.5 m、2.5 m、5.0 m、10 m處單元進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如圖3所示。

圖3 H=7.2 m處不同位置應(yīng)力圖

從圖中可以看出隨著跳臺(tái)寬度D的增加距面板不同位置處的單元應(yīng)力值的大小趨于相等。

(2)在H=4.5 m處取距墻面板0.8 m、2.0 m、4.0 m、7.0 m、9.0 m處單元進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如圖4所示。

圖4 H=4.5 m處不同位置應(yīng)力圖

隨著跳臺(tái)寬度D的增加，各個(gè)位置處應(yīng)力值的變化是不同的，靠近面板處的單元應(yīng)力值是減小的，0.8 m、2.0 m、4.0 m處應(yīng)力值減小的速率是有明顯差異的，越靠近面板應(yīng)力值減小的幅度越明顯。離面板較遠(yuǎn)的單元隨著跳臺(tái)寬度D的增加，應(yīng)力值緩慢的增加，后減小，但是當(dāng)跳臺(tái)寬度為10 m時(shí)，也就是說(shuō)上級(jí)荷載移出整個(gè)加筋區(qū)域時(shí)，距面板不同位置處單元的應(yīng)力值又趨于相等，但呈現(xiàn)出距離墻面板越近，壓力值越小的分布特征。

(3)在H=0.3 m處取距面板0.4 m、1.2 m、5.5 m、8.0 m、9.0 m處單元進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如圖5所示。

圖5 H=0.3 m不同位置應(yīng)力圖

圖中各個(gè)位置的單元的曲線(xiàn)形式很相似，都有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，只是不同位置的單元，拐點(diǎn)的位置也不相同?？拷姘逄幍膯卧S著跳臺(tái)寬度的增加，應(yīng)力值驟減，和無(wú)上級(jí)荷載作用時(shí)的值幾乎相等，離面板中、后部的單元應(yīng)力值都有一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)度階段，然后應(yīng)力值驟減，當(dāng)上級(jí)擋墻移出整個(gè)加筋區(qū)域時(shí)應(yīng)力值變的幾乎相等。

(4)在距面板A=0.4 m處不同的深度取h=0.4 m、h=2.2 m、h=4.0 m、h=5.5 m、h=7.0 m處單元進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如圖6所示。

圖6 A=0.4 m不同高度應(yīng)力圖

從圖6中可以看出距面板同一距離處單元應(yīng)力值的變化曲線(xiàn)是相似的，隨著距擋墻頂面距離的增加，應(yīng)力值的減小越緩慢，每條曲線(xiàn)隨著跳臺(tái)寬度的增加，都存在一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)度階段，并且過(guò)度階段的位置起始點(diǎn)也很接近。

(5)在距面板A=5.6 m處不同深度取h=0.3 m、h=1.8 m、h=3.6 m、h=5.1 m、h=7.2 m處單元進(jìn)行分析，得出的結(jié)果如圖7所示。

圖7 A=5.6 m不同高度應(yīng)力圖

從圖7中可以看出距墻頂不同位置處單元的變化曲線(xiàn)形式是很相似的，都是存在一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)度階段，然后應(yīng)力值隨著跳臺(tái)寬度的增加，應(yīng)力值逐漸的減小，但是減小的幅度不近相同，擋墻上部應(yīng)力值減小的速率較明顯，而下部隨著深度的增大減小較緩慢。

在上面的分析中，我們選取了距墻頂同一高度，不同位置處的單元進(jìn)行分析，同時(shí)選取了距墻面板同一距離，不同深度位置處單元進(jìn)行分析。從圖中可以總結(jié)出幾點(diǎn)：隨著跳臺(tái)寬度的變化，應(yīng)力值是變化的，并且最終的趨勢(shì)都是應(yīng)力值隨著跳臺(tái)寬度D的增加而減??；應(yīng)力值是按一定的角度，從擋墻頂部向擋墻底部擴(kuò)散的，隨著跳臺(tái)寬度的增加，靠近面板處單元的應(yīng)力值影響越小。

2．豎向附加壓力

多級(jí)擋墻的設(shè)計(jì)跳臺(tái)寬度D是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗鼪Q定了對(duì)下級(jí)擋墻產(chǎn)生附加壓力的大小和分布的范圍，豎向壓力值決定了下級(jí)擋墻設(shè)計(jì)時(shí)拉筋的強(qiáng)度等級(jí)和拉筋的長(zhǎng)度，因此通過(guò)合適的方法確定豎向附加壓力值的大小，對(duì)多級(jí)擋墻的設(shè)計(jì)時(shí)很重要的。美國(guó)FHWA[2]加筋土擋墻和陡坡設(shè)計(jì)施工指導(dǎo)中對(duì)多級(jí)擋墻的破裂面形狀和豎向壓力的取值給出了方法，楊廣慶[3]在此基礎(chǔ)上提出了一套完整的設(shè)計(jì)方法，并和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方法的正確性。曾長(zhǎng)賢[4]等也在 FHWA法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正。從上面的分析我們可以確定影響附加壓力大小的一些因素有上級(jí)擋墻傳遞壓力值的大小、上級(jí)擋墻的作用范圍(擋墻的寬度)、跳臺(tái)寬度的大小、下級(jí)擋墻的高度、下級(jí)擋墻填料性質(zhì)等。在計(jì)算上級(jí)擋墻對(duì)下級(jí)擋墻產(chǎn)生的附加壓力時(shí)，作用在下級(jí)擋墻頂面上的壓力是按怎么的方式擴(kuò)散的也就是說(shuō)擴(kuò)散角度的值，因?yàn)樵谥老录?jí)擋墻墻頂壓力值，又確定了擴(kuò)散角的大小，那么我們就可以近似的確定出下級(jí)擋墻不同深度附加壓力值的范圍和值的大小。因此，我們引入壓力擴(kuò)散角的概念，并將壓力擴(kuò)散角的大小和上級(jí)擋墻的寬度和下級(jí)擋墻的高度確立一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，即根據(jù)不同的z/b的值，取不同的擴(kuò)散角度，來(lái)計(jì)算附加壓力值的大小。時(shí)，θ值可內(nèi)插得到。

表1 壓力擴(kuò)散角(θ)[5]

加筋土擋墻作為一種柔性擋墻，在兩個(gè)方向都具有“柔性”豎向的柔性是擋墻能夠抵抗不均勻沉降，橫向的柔性是靠近面板處的土壓力能夠隨著擋墻的橫向變形而釋放。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)原型測(cè)試結(jié)果也得出這一規(guī)律，因此在計(jì)算豎向附加壓力時(shí)應(yīng)該考慮到這種壓力的釋放。根據(jù)跳臺(tái)寬度的不同，我們把整個(gè)加筋區(qū)域分 為 三 個(gè) 不 同 的 區(qū) 域 即 第 一 區(qū) 0.3D H≤ ； 第 二 區(qū)

圖8 加筋土擋墻區(qū)域劃分圖

圖9 下級(jí)擋墻豎向附加壓力計(jì)算圖

當(dāng)0.3H x≤ 時(shí)，則

當(dāng)0.3H x≤ 時(shí)，則

3.結(jié)論

(1)上級(jí)擋墻產(chǎn)生的附加壓力按一定的角度擴(kuò)散到下級(jí)擋墻，隨著跳臺(tái)寬度的增加，靠近面板處單元的影響減小。

(2)上述提出的附加壓力計(jì)算方法是在“0.3H”破裂面的基礎(chǔ)上提出的，計(jì)算式的合理性還需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

[1]王祥，徐林榮. 雙級(jí)土工格柵加筋土擋墻的測(cè)試分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003,25(2):220-224.

[2]U. S. Department of Transportation Federal Highway Administration.FHWA-NHI-10-024 Design and Construction of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes-Volume I[S].National highway institute,2009.

[3]楊廣慶.臺(tái)階式加筋土擋土墻設(shè)計(jì)方法的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23(4):695-698

[4]曾長(zhǎng)賢，王靖濤. 多級(jí)加筋土擋土墻設(shè)計(jì)方法研究[J].土工基礎(chǔ)，2003,17(2)：16-22

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ79-2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

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