新型加筋格賓擋土墻性能分析

龔錦林，柳厚祥，張軍輝

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114； 3.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

加筋土結構由法國M.Henri Vidal于1963年提出，并且在法國普拉聶爾斯(Prageres)成功修建了世界上第一座加筋土擋土墻。隨后，加筋土技術在工程中得到廣泛的應用。我國從70年代初就開始加筋土擋土墻的研究工作。本文針對易失穩(wěn)陡坡地段開發(fā)出一種新型加筋格賓擋土墻結構[1]，其主要由裝填片塊石的蜂巢網箱+網面筋帶+聯(lián)接鋼筋+土釘/錨桿+填料組成。蜂巢網箱及網面筋帶是一體化生產，由鍍高爾凡覆塑的雙絞合六邊形鋼絲網制成。聯(lián)結筋及土釘/錨桿是由經防腐處理后的φ22三級螺紋鋼筋制成。與傳統(tǒng)的擋土墻結構相比，此結構具有整體性好、柔韌性強、透水性優(yōu)、施工便捷簡便、抗震性能好、造型靈活多變、工程造價低以及適應變形能力強、地基承載力要求低等優(yōu)勢。而與普通加筋格賓擋土墻相比，由于筋材端部拉力靠墻背方向通過聯(lián)結鋼筋及土釘/錨桿傳力至錨固土體中。因而，此結構也適用于半填半挖路段(尤其在臺階開挖難度大的巖石地基段)，其具有施工作業(yè)面小，有效控制路基不均勻沉降等特點。

國內外一些學者對不同類型的加筋土擋土墻進行了一些理論及試驗研究，并取得了一些研究成果。Lo[2-3]等研究了用不同填料對雙絞合六邊形鋼絲網加筋機理、筋土界面特性，并提出了相應的計算方法。Bergado[4-8]等在雙絞合六邊形鋼絲網加筋機理研究上成果頗豐，通過對埋置于砂土中的鋼絲網所采取的系列抗拔試驗與拉伸試驗成果分析，認為其抗拔力由摩擦力及承載力組成，承載力大于摩擦力，還提出抗拔力公式。Teeraw[9]等利用拉拔試驗成果分析了鍍鋅格賓與覆塑格賓筋材的力學特性，認為抗拔力隨上部壓力增大而提高。Youwai[10]等進行了橡膠混合砂土加筋擋土墻性能研究，認為加筋體剛度增加，筋材拉應力則會相應提高，墻體側向變形也會變大。楊果林[11]等、李昀[12]等和劉澤[13]等分別以依托湖南省湘潭-衡陽高速公路西線加筋格賓擋土墻實體工程，進行了系列室內及現(xiàn)場試驗研究。楊廣慶[14-15]等對加筋擋土墻結構受力、變形狀態(tài)進行了系列研究，并分析了其作用機理。

國內外對于加筋格賓擋土墻的現(xiàn)場試驗研究不多，對此種新型結構的擋土墻就更少。本文以湖南省安化某高等級公路K3+580～K3+640段為試驗段，對此路段新型加筋格賓擋土墻進行現(xiàn)場試驗與監(jiān)測研究，在此基礎上進行數值模擬分析，并與現(xiàn)場試驗成果進行對比，研究新型加筋格賓擋土墻結構的變形及應力、應變增量等特征。

1 工程概況

湖南省安化某高等級公路新型加筋格賓擋土墻項目所屬區(qū)域屬山地地形，氣候濕潤。在對K3+580～K3+640挖方段進行路基開挖后，受上半年高強度、長時間的降水影響導致路基左側臨空面發(fā)生坍塌，侵入路基范圍最大達2.3 m，塌方量為800多m3。坍塌高度一般在3～10.3 m，路基下邊坡地形坡度一般在47°～60°，下邊坡高度42 m。同時，依據地質勘察資料顯示，此坍塌坡體主要位于強風化泥質細砂巖層(主要成分為石英，次為長石等礦物；巖石裂隙較發(fā)育，泥質物充填；局部含鐵質成分較高)，其下為中風化泥質細砂巖層；巖層產狀169°∠69°；地下水不發(fā)育。經慎重研究，此建設條件可采用新型加筋格賓擋土墻方案，圖1為新型加筋格賓擋土墻。

圖1 新型加筋格賓擋土墻

2 數值模型建立

本次研究利用FLAC3D建立新型加筋格賓擋土墻結構模型?？紤]到此擋土墻路堤加固段的長度尺寸遠大于橫斷面尺寸，因此，本結構模型可以作為平面應變問題來看待。模型沿路線方向取單位長度1 m，寬度方向取20 m，路(地)基深度方向取12 m；擋土墻高度依設計取9 m，頂寬1 m，底寬5.5 m，墻面坡比1∶0.3；墻體共設4層水平加筋系統(tǒng)(即由下而上在2、4、6、8 m位置處分別網面筋帶+聯(lián)接鋼筋+土釘)；土釘采用φ22的螺紋鋼筋，設計長度6 m。模型中格賓、筋材、土釘及填土分別建模。格賓選用Geo-grid模擬，格賓、筋材及土釘的相互連接均設置統(tǒng)一的ID號，土釘采用錨桿單元。巖(土)體按彈塑性模型考慮，并服從摩爾-庫倫強度屈服準則。格賓、筋材及土釘采用彈性模型。具體設計斷面及主要計算參數分別見圖2與表1。

圖2 新型加筋格賓擋土墻斷面

表1 巖土及筋材物理力學參數Table1 Parametersofgeotechnicalmaterialsandreinforce-mentmaterial材料ρ/(kg·m-3)E/MPaμφ/(°)C/kPa填土1900370.25349.4地基土2250410.22400.0網面筋帶22009500.3?22土釘78502×1050.28 注:網面筋帶厚度約為3mm。

3 現(xiàn)場試驗方案

考慮到現(xiàn)場施工條件及監(jiān)測的便利性等因素，檢測儀器主要采用柔性位移計測量面墻水平位移，位移計共埋設5個。分別置于網箱背面的基底及其與網面筋帶結合部(網面筋帶的層間距為2 m)。該擋土墻施工較快，施工周期不到一個月。監(jiān)測工作從2015年11月到2016年10月結束。通過對現(xiàn)場擋土墻結構物的監(jiān)測成果分析，獲取了墻體變形、應力、應變增量等分布規(guī)律。

4 擋土墻性能分析

4.1 墻體側向變形分析

圖3為新型加筋格賓擋土墻墻身實測值與數值分析值的變形規(guī)律。其中0、10、20 kPa分別為無車輛荷載及有車輛荷載附加荷載強度情況。實測值與分析值變形規(guī)律相似。墻體變形總體呈“勺型”分布，墻體中下部變形小，變形主要分布在上部，最大變形部位約在5/6倍墻高位置。實測值與無車輛荷載時狀況相近。上述變形特征主要與墻體幾何尺寸、有限的填土及水平加筋系統(tǒng)耦合作用有關。在監(jiān)測期間，由于此段路基位于一座未完工的大橋附近，此處治路段基本無車輛通行，因而變形規(guī)律與無車輛荷載情況類似。

圖3 墻體側向位移

4.2 豎向變形分析

圖4為不同車輛荷載附加荷載強度作用下，結構及其影響區(qū)域的豎向變形云圖。由圖4可知，除基底附近區(qū)域有1～2 mm的略微隆起外，其余部位區(qū)域沉降值不大(大致在1～3 cm)。隨著荷載強度的增加，整個影響區(qū)域的豎向變形也相應增大。顯著沉降區(qū)主要集中于路肩至墻頂范圍。

4.3 基底應力分析

圖5為不同車輛荷載附加荷載強度作用下，基礎底面應力分布情況。由圖5可知，不同的荷載條件下對基底應力的影響有限?；讘ψ畲蟛怀^170 kPa，由此表明此種結構較高擋土墻對基底地基承載力要求低，有利于外側臨空面的坡體整體穩(wěn)定。基底應力在距離擋土墻基底外側3.5 m位置之前應力增加較快，之后增加幅度較平緩(增加幅度一般不超過15 kPa)，這種應力分布表明此新型結構基礎不同于柔性基礎和剛性基礎。這主要與墻體自身形狀及墻后增加水平加筋體系有重要關系。由此也說明，本文所述新型擋土墻結構對地基承載能力要求不高，自穩(wěn)能力強，因而能適應不均勻性地基，尤其適用于上述高陡邊坡路基。

(a)荷載0 kPa

圖5 基底應力分布

4.4 應變增量分析

圖6為不同車輛荷載附加荷載強度條件下處治區(qū)域應變增量云圖。由圖顯示，整個區(qū)域隨著荷載強度的增加，最大剪應變增量向右上方發(fā)展，并有愈發(fā)集中之趨勢。但潛在破壞面相對位置基本穩(wěn)定，并大致在0.3H分界線附近。隨之，水平加筋系統(tǒng)(尤其是土釘)應變增量增加明顯，總體朝著墻后填土方向發(fā)展。各層網面筋帶及土釘的應變增量沿設置高度的增加而增大。其中，土釘在與網面筋帶銜接部位出現(xiàn)應變增量集中，且隨著設置高度的增加，其值及影響范圍都在增加。這表明水平加筋系統(tǒng)對整個結構體系中所起的作用不可或缺。同時，也顯示隨著荷載強度的不斷提高，邊坡整體穩(wěn)定性安全儲備會降低。另外，墻趾處一直處于較高剪應變增量區(qū)域。

(a)荷載0 kPa

依據《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2015)[16]關于車輛荷載附加荷載強度之規(guī)定，此次設計高度為9 m的擋土墻所對應的車輛荷載附加荷載強度取值約為10 kPa。因此，本文所介紹的新型加筋格賓擋土墻能夠滿足結構強度及穩(wěn)定性要求。

5 結論

通過對新型加筋格賓擋土墻的現(xiàn)場監(jiān)測及數值分析研究，可獲得如下結論：

a.墻體變形實測值與理論分析值分布規(guī)律相似。變形總體呈“勺型”分布，墻體中下部變形小，主要分布在上部，最大變形部位約在5/6倍墻高位置。

b.隨著荷載強度的增加，影響區(qū)域的豎向變形也相應增大。一般會在基底附近區(qū)域有略微隆起，其余區(qū)域有一定的沉降。顯著沉降區(qū)主要集中于路肩至墻頂范圍。

c.基底應力分布不同于一般的柔性基礎及剛性基礎，此結構對地基承載力要求低于重力式圬工擋土墻結構。總體來說，應力呈曲線增加，墻趾處應力低，墻踵部位應力高。

d.隨著荷載強度的增加，影響區(qū)域剪應變增量整體向右上方發(fā)展，并愈發(fā)集中。潛在滑動面位置基本穩(wěn)定，并大致分布在0.3H分界線附近。

e.隨著荷載強度的增加，水平加筋系統(tǒng)的應變增量明顯，總體朝著墻后填土方向發(fā)展。各層網面筋帶及土釘的應變增量隨著設置高度的增加而增大。且土釘在與網面筋帶銜接部位出現(xiàn)應變增量集中。

f.通過對易失穩(wěn)段所開發(fā)的新型加筋擋土墻結構進行的數值模擬及后期現(xiàn)場試驗成果分析表明，此新型結構適用于地形較陡(尤其在開挖難度大的巖石地基段)的地段。同時，也為此類路段的設計及施工提供參考。