三峽庫區某短加筋擋土墻數值模擬分析

胡榮，徐超，朱洪，羅玉珊

（1.同濟大學巖土工程與地下結構教育部重點實驗室，上海 200092；2.湖北力特土工材料有限公司，湖北宜昌 443003）

0 引言

在一般的邊坡防護工程中，加筋擋土墻與重力式擋墻相比，不僅經濟效益好，抗震性能突出，而且在視覺效果與環境美觀方面也更具優越性[1]。正因為如此，加筋擋土墻在公路、鐵路和水利等工程建設中也得到了越來越廣泛的應用。在工程實踐中，當受施工場地限制，或者特種防護功能的需要，加筋擋土墻中的加筋鋪設長度難以達到規范要求的長度。在此種工況下，只要被防護邊坡巖土體性能良好，加筋擋土墻仍能保持穩定。這類加筋擋土墻可稱為“短加筋擋土墻”，相當于國際上的shored mechanically stabilized soil wall（SMSE Wall）[2]。例如既有填方路堤加寬工程中，在保證正常通車的情況下施工場地非常有限。這種情況下，短加筋擋墻往往是第一選擇。再比如風化巖質陡坡的生態防護工程，盡管邊坡具有較好的自穩特性，為了邊坡綠化而不得不進行坡面固土，此時就沒有必要大量開挖巖質邊坡，采用短加筋擋土墻能夠滿足上述要求。

短加筋擋土墻的主要特點是擋墻中筋材長度小于規范規定值，如國內外規范[3-4]中，為了滿足擋墻內部穩定性要求，筋材布置長度一般應不小于0.7H（H為擋墻高度），至少不小于0.6H。目前國內外對短加筋擋土墻的研究很少，已有的研究[2，5-6]僅限于1g（g為重力加速度） 模型試驗和離心機試驗，從加筋長度的影響和土壓力分布規律等方面探討短加筋擋土墻的行為特征。在工程實踐中，短加筋擋土墻還缺少理論依據和設計準則。因此有必要對短加筋擋墻進行系統分析。本文結合實例工程，通過建立短加筋擋土墻數值模型，比較全面地模擬了特定工況下短加筋擋土墻的破壞模式和變形特征，分析了墻后錨固等工程措施的作用，所得結果可為類似工程應用提供借鑒。

1 工程概況

三峽庫區主干道旁存在一處風化巖質邊坡，全線長為200 m，高度為11 m，削坡后的坡比為1∶0.3。擬采用加筋擋土墻進行邊坡支護和坡面綠化，如按規范要求，加筋長度應為7.7 m，這將極大地增加挖方量和工程造價。但考慮風化坡體自身基本能夠保持穩定，加筋擋墻僅為恢復自然環境及能滿足坡頂結構要求，采用了短加筋擋土墻結合錨桿的形式進行防護處理。

本工程中，加筋材料采用80 kN/m土工格柵，加筋層間距為50 cm，加筋長度為4 m，明顯小于規范規定值。在加筋擋土墻底部設置厚約10 cm素混凝土墊層，擋墻填料為風化砂，綜合內摩擦角不小于34°。為配合墻面綠化，擋土墻墻面由土工格柵反包土袋形成，袋內植草，墻頂種植灌木，以達到坡體綠化的效果。在該工程中，為了加強擋墻與墻后風化巖體的結合，采用巖層錨桿，并與加筋層牢固連接。加筋擋墻基礎為埋深30 cm，并預設L型鋼筋，鋼筋水平長度4 m，豎向長度0.5 m，鋼筋水平間距1.5 m。并在地面線以上焊接橫向鋼筋并將第一層格柵固定在橫向鋼筋上。基礎混凝土等級C25，縱橫向鋼筋φ25。

2 數值模型建立

2.1 材料的本構關系

本文采用通用Plaxis軟件建立三峽庫區短加筋擋墻數值模型。在數值模型中，土體與風化巖體的本構模型采用摩爾-庫倫模型模擬，該模型可表述為

式中：c和φ為巖土體的強度參數，具體參數見第2.2節表2。

土工格柵材料為只能受拉，不能受壓，不具有抗彎剛度的柔性材料，在模型中采用Plaxis自帶的格柵單元模擬。格柵單元為線彈性體，是只能沿軸向變形的一維單元。而錨桿注漿段用高強度的格柵單元模擬[7]。擋墻下所設置的素混凝土墊板采用線彈性本構模型。

加筋與土之間的應力傳遞取決于界面的力學特性。數值模型中，格柵與土體、錨桿注漿段與巖體采用界面單元模擬二者之間的相互作用。Plaxis軟件引入了界面單元的概念，可以模擬在施工或運營過程中土工格柵與土之間的相互作用和相對滑動現象。界面單元的強度定義為：

式中：Rinter為c和tanφ的折減系數。

2.2 建立模型

模型建立如圖1所示，加筋擋土墻各構成材料的具體參數見表1和表2。

2.3 數值模擬結果與分析

采用上述建立的三峽庫區某短加筋擋土墻數值模型進行分析，圖2和圖3分別為擋墻的水平位移云圖和豎向位移云圖。模擬結果顯示，風化巖體變形很小，自身保持穩定。

表1 格柵和錨桿參數表

表2 填土及風化巖體等參數表

圖2顯示，短加筋擋土墻最大水平位移出現在墻體中部偏下的位置，達到121.4 mm，即墻體發生較明顯的側向鼓出。擋墻上部由于回填砂土和微風化巖體強度存在明顯差異，使得墻體水平位移與巖體的水平位移有突變。擋墻中下部分由于有錨桿直接與筋材相連接，墻體水平位移和墻后巖體的水平位移無明顯突變現象。

由圖3可知，短加筋擋土墻上部豎向位移最大，達到了160.79 mm。同水平位移一樣，在擋墻上部，回填土與巖體之間也存在明顯的位移突變現象，而在中下部則由于錨桿的存在，一定程度上限制了回填土的水平和豎向位移，表現為無明顯的突變現象。

擋墻柔性面板后的主動土壓力分布如圖4所示，擋墻頂部9～11 m范圍內的主動土壓力分布與郎肯土壓力近似，9 m以下土壓力與郎肯土壓力相差明顯，底部最大主動土壓力約為22 kPa，僅為郎肯主動土壓力的46%，這與目前已有短加筋土壓力研究結果[8-9]相似，但不同于普通加筋擋土墻土壓力分布[10]。

數值分析結果還顯示：原微風化巖體的變形很小，其最大位移僅為400×10-12m。可見原風化巖體自穩性很好。修筑加筋擋土墻有利于增加原風化巖體的穩定性，表現為擋墻對原巖體開挖面具有較大的正應力和剪應力。垂直開挖面的正應力從上至下呈增加趨勢，底部達到最大約為55 kPa；平行開挖面的剪應力上部較小，中下部則較大，最大達到96.5 kPa。

各根筋材表面的剪應力、拉應力分布都相似，均為前端較小，末端較大，而錨桿拉應力則是前端較大，末端較小，趨于0。各根錨桿（錨桿編號見圖2） 所受拉應力和剪應力的最大值列入表3。

表3 錨桿受力情況

擋墻內部筋材受力分析：由于目前國內外對于反包式加筋擋墻柔性面板的模擬還不成熟，且限于作者有限的知識，此次短加筋擋墻的筋材受力分析中面板處筋材受力尚存在不足。拋開面板處筋材受力情況，總的來說，擋墻內部筋材受力情況比較復雜，與傳統擋墻內部筋材受力差別大，圖5為部分筋材受力情況分析，由圖可見，2 m以下筋材的受力類似于傳統加筋擋墻筋材受力，越靠近面板，其所收到的拉應力越大。2 m以上筋材受力則明顯不同于傳統加筋擋墻，其中與3、4號錨桿相連的筋材連接處出現較大的拉應力，即圖5中上揚段。分別為為23.9 kN/m、21.1 kN/m。其余筋材拉力最大值均發生在擋墻內部，靠近被擋巖體處最小。

3 參數研究與對比分析

為進一步研究短加筋擋土墻的受力特性和變形特點，參考實際工況，對短加筋擋土墻進行參數研究，考慮如下不同工況：1）在其他條件不變的情況下，調整加筋層間距，層間距采用40 cm和60 cm兩種情況；2）取消巖層錨桿；3）在風化巖體上部增加4層錨桿。

3.1 加筋間距的影響

在數值模型中，調整土工格柵層間距分別為40 cm和60 cm，進行短加筋擋墻數值模擬。圖6給出了不同加筋層間距情況下墻面水平位移隨墻高的變化。結果顯示，格柵的間距對短加筋擋墻的位移具有明顯的影響，隨著加筋間距的增大，擋土墻的最大位移、水平位移和豎向位移也都隨之增大。當加筋間距為40 cm的時候，其最大總位移為135.1 mm，比加筋間距為50 cm的最大位移小約38 mm；而間距為60 cm時候的位移為206.7 mm，比50 cm加筋要大約34 mm。但在墻體穩定的前提下，加筋間距并不影響短加筋擋墻的整體變形模式，都是在中部偏下的位置處水平位移最大，只是隨著加筋間距越大，其側向變形量越大。

3.2 有無錨桿對比分析

取消圖1中的巖層錨桿，對短加筋擋墻進行模擬，所得水平位移云圖見圖7。對比圖7與圖2可知：不加錨桿時，其變形特點與加錨桿相似，最大水平位移發生在中間部位偏下的位置處，呈現出“腰鼓形”鼓出，最大水平和垂直位移分別有126.8 mm，比加錨桿時大了約5.4 mm，而且鼓腰的位置略有下移，垂直位移則無明顯變化。加筋擋墻與風化巖體之間的位移突變點也出現了一定程度的下移，約1 m左右。可見，錨桿對于短加筋擋墻的水平位移影響不大，但對墻體的豎向變形具有一定的限制作用。

3.3 不同錨桿層數對比分析

在原模型的基礎上建立了增加上部錨桿的模型，上部錨桿長3 m。圖8所示為增加錨桿后擋墻的水平位移云圖。通過圖2與圖7的對比，可以看出，上部錨桿的存在改變了短加筋擋土墻的變形特點。擋土墻的水平向最大位移處仍在中間部位處，但是其不再呈現出“腰鼓”現象，說明上部錨桿對于擋土墻的變形量也有一定程度的控制作用，具體表現為最大位移減小了約27 mm，水平和豎向位移分別減小了約31 mm、39 mm。

4 結論

結合三峽庫區風化巖體邊坡防護工程實例，采用數值模型對短加筋擋土墻進行數值模擬和參數研究，在模擬結果分析的基礎上可以得出以下結論：

1） 短加筋擋墻和墻后風化巖體的變形存在明顯的突變，變形主要集中在短加筋擋墻部分，巖體變形很小，且巖體對加筋擋墻的作用力也很小。

2） 短加筋擋墻的變形特點：水平位移最大處位于擋土墻中間略偏下的部位，表現為“腰鼓形”鼓出；豎向位移最大處則位于擋墻頂面附近，表現為擋墻沉降。

3） 墻體后巖體中錨桿的分布對短加筋擋墻的變形和受力情況影響明顯。由于墻后風化巖體具有自穩能力，對加筋擋土墻土壓力較小，打設錨桿并與筋材直接連接的作用主要是限制擋墻的變形，調整擋墻與被擋巖土體之間的相對位移。

4） 加筋間距對短加筋擋墻的變形有明顯影響。與一般的加筋擋土墻類似，隨著加筋間距的變大，相應的擋墻的總位移、水平位移和豎向位移均增大。

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