預(yù)應(yīng)力筋預(yù)拉力對預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻穩(wěn)定性影響

摘要 研究預(yù)應(yīng)力鋼筋拉力對預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響，選擇有限元、理論分析法，對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻的安全穩(wěn)定性進行研究。通過逐步提高土擋墻的安全穩(wěn)定性和頂荷載，對土擋墻結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，其失穩(wěn)由特征點的位移變化決定。介紹預(yù)應(yīng)力筋的最大預(yù)拉力值及其對安全穩(wěn)定的負面影響，并對其關(guān)鍵施工技術(shù)進行總結(jié)。隨著最大預(yù)拉力值的增加，塑性體積在不平衡過程中逐漸減小。塑性體積與水平線的距離越小，土擋墻的最小主應(yīng)力值和安全穩(wěn)定度越高。

關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力筋;預(yù)拉力;加筋土擋墻;穩(wěn)定性;影響因素

中圖分類號 TU476.4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0129-03

收稿日期：2022-03-02

作者簡介：王云珊（1983—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程監(jiān)理。

0 前言

加筋土擋墻結(jié)構(gòu)具有施工速度快、經(jīng)濟效益好、外形美觀、安全可靠、耐久性好、抗震性能好等優(yōu)點。根據(jù)目前的研究和分析，加筋土擋墻的機理不受固定材料的約束，這種約束是一種被動效應(yīng)。將固定材料與填料結(jié)合，形成摩擦機制和剪切機制，起到限制填料的作用?；谏鲜鲈恚咏钔林杏玫奶盍弦簿哂邢鄳?yīng)的特性。如填料不好，會對加筋土擋墻層造成破壞。

1 理論基礎(chǔ)

該技術(shù)可分為墻板、側(cè)板、預(yù)應(yīng)力筋和填料。通過拉預(yù)應(yīng)力筋，可以驅(qū)動連續(xù)側(cè)向受壓板和墻板，加固區(qū)內(nèi)的填充力達到主動約束狀態(tài)，進而增強加筋土構(gòu)件的力學(xué)性能。無粘結(jié)水平預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土施工期間，回填土上形成有效的水平預(yù)應(yīng)力場屬于關(guān)鍵施工技術(shù)，水平鋼筋混凝土施工的擴散也與預(yù)應(yīng)力筋的最大膨脹值有關(guān)。加筋中的水平應(yīng)力不僅影響加筋的硬度，還影響加筋的穩(wěn)定性，研究水平土壓力對加筋土擋墻的穩(wěn)定性和發(fā)展具有重要意義，是提高擋土墻安全性的合理途徑。數(shù)值方法可分析加筋土擋墻的形狀和應(yīng)力，探究加筋體的作用機理。Leschinsky[1]等人采用數(shù)值模擬方法，綜合分析了提高擋土墻穩(wěn)定性的破壞方式，明確了擋土墻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、外部損傷、復(fù)合材料破壞和整體損傷。

Chenrh[2]通過四種加固方法明確了加筋擋土墻的穩(wěn)定性變化規(guī)律。合理的數(shù)值結(jié)果在很大程度上決定了填料的模型，常用的本鉤模型包括：鄧肯-張模型、莫爾-庫侖模型、德魯克-布拉格模型、修正劍橋模型等，莫爾-庫侖是一種在我國廣泛應(yīng)用的土的本構(gòu)模型。許多不同的研究結(jié)果都基于對該模型的分析。劉倍宏等[3]得到了有限填土加筋土擋墻穩(wěn)定性的基本規(guī)律，打破了傳統(tǒng)模型。

目前，用數(shù)值方法確定加筋土或擋土墻極限狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)一般有三種：①不收斂測量;②特征點突變、移位;③穿透等效塑性應(yīng)力。以有限元計算結(jié)果的不收斂性為失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，其中包含一定的不確定性因素。在特定情況下，計算結(jié)果可能會有很大偏差。不同的收斂速度會受到不同因素影響。步長的增加會對數(shù)值性能產(chǎn)生影響。有限元計算結(jié)果的收斂速度并不能代表擋土墻的施工已達到安全狀態(tài)。在擋土墻穩(wěn)定進入極限狀態(tài)之前，土體的塑性區(qū)可以連通，塑性區(qū)可能很大，是計算擋土墻結(jié)構(gòu)信息安全相關(guān)系數(shù)的一個標(biāo)準(zhǔn)，更適合于擋土墻結(jié)構(gòu)本身。

2 參數(shù)研究

改變無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的措施隨著節(jié)點位置的突變而具有不同的特點。當(dāng)選擇位移突變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)措施時，坡肩通常選擇在邊坡的特征節(jié)點處，選擇擋土墻穩(wěn)定性的頂部措施，如圖1中點A所示。在數(shù)據(jù)分析中，擋土墻的頂部荷載進一步增加，直到節(jié)點A處發(fā)生變形，頂部荷載的作用如圖1所示，圖中給出了數(shù)值模擬的多邊形設(shè)計尺寸。工作參數(shù)設(shè)置見表1，預(yù)拉力值的合力介于主動土壓力和被動土壓力之間。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)最大載荷為80 kPa時，預(yù)拉力值增加，頂部的水平荷載值也在增加。隨鋼筋中的塑性區(qū)在失穩(wěn)過程中會逐漸向下移動，塑性區(qū)與水平線之間的夾角越來越小?；瑒有ǖ闹亓﹄S著預(yù)應(yīng)力增加，底部與滑動面和水平面之間的角度減小。表2結(jié)果表明，完全施加預(yù)張力時構(gòu)件最小主應(yīng)力的變化?？紤]到特征單元數(shù)量過多，最小主應(yīng)力值為1～16個單元的規(guī)律。類似于未列出的其他元素的規(guī)律，特征元素1～單元8在增強區(qū)域中，而特征單元9～單元16處于非增強區(qū)域。從表2和表3可以看出，當(dāng)通過施加一個預(yù)張力來完成預(yù)張力時，鋼筋體內(nèi)的最小和最大主應(yīng)力值也會增加，而非鋼筋體內(nèi)的最小和最大主應(yīng)力值也會減少。

預(yù)拉力值對擋土墻建筑物的穩(wěn)定性有以下三個直接影響：①預(yù)拉力值的逐漸增大，鋼筋中的完整性將逐漸增加，當(dāng)不平衡時，鋼筋的塑性面積將逐漸減小。當(dāng)塑性區(qū)與水平線之間的位移和角度變化較小時，擋土墻施工的穩(wěn)定性將得到提高。②最大預(yù)拉力值的增加，加固區(qū)填料的最小主應(yīng)力值也會增加，提升填料的最大抗剪強度與擋土墻施工的穩(wěn)定性。③預(yù)拉力值的增加，雖然未加筋填料的最小主應(yīng)力值也會降低，但與加筋最小主應(yīng)力值的變化相比變化不大，對擋土墻施工的穩(wěn)定性沒有損害。在預(yù)應(yīng)力筋長度及預(yù)應(yīng)力筋與預(yù)應(yīng)力的位置關(guān)系不變的情況下，防護墻的穩(wěn)定性隨著預(yù)應(yīng)力值的增加而逐漸發(fā)展和增加。

4 加筋土擋墻的施工技術(shù)要點

京臺高速公路第四標(biāo)段（北京段）正線底盤部分采用路肩加筋地面支撐墻，高度10 m。加筋土支護墻板采用凸凹模干砌。模塊由干硬性混凝土制成，抗壓強度為20 MPa，高尺寸×寬×長=19 cm×20 cm×40 cm。土工格柵的原材料為高密度聚乙烯（HDPE），粘結(jié)條的長度為14 m。面板和電網(wǎng)通過連接器連接。加筋土支護墻基礎(chǔ)為30 cm×50 cm（高）×C25水泥條基礎(chǔ)（寬），其下為90 cm厚分級碎石+3層三向土工格柵機械穩(wěn)定層。

5 加筋土擋墻施工工藝

基層檢查驗收合格之后，依據(jù)設(shè)計要求，進行三層鋪設(shè)[4]。第一層鋪設(shè)三向土工格柵，在張拉平整，與地面緊貼且無皺褶之后，查看三向土工格柵的搭接寬度，確保其控制在30 cm以內(nèi)，之后鋪設(shè)級配碎石，推土機推平之后，壓路機將其壓實。將剩余的兩層也按照此方式進行反復(fù)施工，條形混凝土構(gòu)造，掛線處理，以此實現(xiàn)擋土墻模塊的施工。

該工程拉桿采用單向土工格柵，如圖3所示，提前將拉桿切割至設(shè)計長度。切割時，必須沿格柵橫向預(yù)留一排長度至少為600 mm的縱向肋。在模塊網(wǎng)格的末端，必須保留約100 mm的長度，以確保上部模塊的榫頭能夠壓入網(wǎng)格肋。不可沿著網(wǎng)格橫檔切割所有這些肋條，保留的網(wǎng)格肋條不能超出墻壁。沿路基縱向，相鄰?fù)凉じ駯趴蓪?。用刷子清除模塊頂部的殘留物，將切割的網(wǎng)格放入模塊的凹槽中，并用連接器夾住網(wǎng)格橫檔，以確保連接器覆蓋每個網(wǎng)格。第二層和第三層的模塊應(yīng)按要求交錯鋪設(shè)，連接件和拉桿應(yīng)壓緊，拉桿應(yīng)手動張拉固定。

填充、壓實填充料，確保滿足施工要求，從拉桿中間開始軋制填充材料，從尾部進行反復(fù)軋制，在靠近墻體1.5 m內(nèi)，使用小型的壓實機將其壓實，厚度為19 cm，確保其與模塊高度相同。在壓實填料之后，修整、擠壓變形模塊，促使其與模塊對齊，以此保障拉桿平整度滿足相應(yīng)的要求[5]。

6 施工技術(shù)控制要點

（1）要確保三向土工格柵與地面緊貼，且平整，無任何的褶皺，工作人員需要加強各組配合，施工鋪設(shè)期間，第一組人員負責(zé)固定土工格柵，第二組則負責(zé)鋪設(shè)、平整土工格柵，第三組負責(zé)U型釘固定土工格柵，確保三向土工格柵緊繃，避免其施工期間出現(xiàn)皺褶。機械在進行碎石填筑期間，不可因為滾動作業(yè)，對土工格柵產(chǎn)生影響，可選擇反向傳播的形式，進行碎石填筑，機器與土工格柵之間，填料厚度要>15 cm，避免機械設(shè)備直接在土工格柵上作業(yè)。

（2）拉桿緊固、無任何的皺褶，填料填充平整，將拉桿的作用發(fā)揮出來，確保拉桿受力合理。在鋪設(shè)拉桿、安裝好連接器之后，在上面搭建兩層膜，操作人員對其進行按壓，另一組人員則將拉桿的自由端鉤住，借助輔助工具，朝后面施加張力，緊固拉桿，促使其與連接器保持豎齊，并朝著后槽表靠近。，使用U型釘固定端部與尾部，一般U型釘>4個，調(diào)整拉桿的平整度。

（3）擋土墻附近填料的壓實度，在壓實期間，擠壓擋土墻，導(dǎo)致其變形，填筑期間，需要在擋土墻內(nèi)側(cè)預(yù)留專門的排水層，在軋制填料的過程中，避免擠壓。強度2 cm范圍內(nèi)，可選擇小型的碾壓機，在壓實填料之后，手動將排水層的零散填料清除干凈，使用小型壓實機進行壓實與填充，在填料調(diào)整合格之后，進行下一道工序。

（4）擋土墻朝內(nèi)傾斜1%，在施工前，可CAD模擬模塊布置，每層模塊外側(cè)要比內(nèi)側(cè)高2 cm，擋土墻每高1 m，要朝內(nèi)傾斜1 cm，在底層模塊外側(cè)追蹤砂漿時，要高于底層模塊內(nèi)側(cè)，氣泡也要高于模塊外側(cè)。高度每高1 m，需要檢查1次，并朝內(nèi)移動1 cm，鋼管立桿和水平管需要保持一定距離，注意吊桿的測量，模塊外立面為凹面和凸面，測量點選擇內(nèi)側(cè)。

（5）為保障擋土墻施工人員的安全，可在外側(cè)設(shè)置腳手架（雙排鋼管），為高處作業(yè)提供防護，便于模塊的維修與砌筑，同時外側(cè)要設(shè)置密目網(wǎng)，操作平臺的寬度設(shè)置為90 cm，在上面蓋上大板。道路鋼管腳手架縱向間距設(shè)置為2 m、縱向水平桿間距為1.2 m，橫撐外側(cè)，斜撐中間，依據(jù)擋土墻的高度，搭設(shè)操作平臺。

（6）為將頂層路面結(jié)構(gòu)層攤鋪機施工過程中的碾壓、損壞與卷起問題解決，要結(jié)合工藝，擋土墻的受力情況，將頂部橫拉筋的長度設(shè)置為2 m，帶膨脹板的攤鋪機攤鋪結(jié)構(gòu)層，在距離擋土墻2.5 m，要避免直接碾壓拉桿，結(jié)合計算，在拉桿縮短2 m之后，可使擋土墻滿足要求。

7 結(jié)論

隨著預(yù)拉力值和擋土墻的穩(wěn)定性增加。預(yù)張力值將對擋土墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生三個影響：

（1）隨著預(yù)拉力值的增加，加強筋的完整性增強。當(dāng)失穩(wěn)發(fā)生時，加強筋中的塑性區(qū)逐漸向下移動，塑性區(qū)與水平線之間的夾角越來越小。擋土墻的穩(wěn)定性將提高。

（2）隨著預(yù)拉力值的增大，加筋中填料的最小主應(yīng)力增大，從而提高填料的抗剪承載力，進而提高擋土墻的穩(wěn)定性。

（3）隨著預(yù)拉力值的增大，非加筋體中填料的最小主應(yīng)力減小，但與加筋體中最小主應(yīng)力的變化相比變化較小，對擋土墻的穩(wěn)定性沒有影響。由該公式導(dǎo)出的失穩(wěn)載荷與數(shù)值結(jié)果吻合較好。

參考文獻

[1]Leschinsky.Influence of pretension of prestressed reinforcement on stability of prestressed reinforced earth retaining wall [J] Highway engineering， 2020（4）： 61-66.

[2]Chenrh. Study on static performance of unbonded prestressed reinforced earth retaining wall under top load [D] Hunan University， 2020.

[3]劉倍宏. 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻變形及極限荷載研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)， 2019.

[4]杜運興， 陳仕文， 周芬. 預(yù)應(yīng)力筋預(yù)拉力對預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻靜力性能影響[J]. 公路工程， 2019（2）： 28-35.

[5]鄧迪曦. 側(cè)壓板面積對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加筋土擋墻力學(xué)性能影響研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)， 2018.