土工合成材料加筋土擋墻設計方法的研究

【摘 要】在分析了土工合成材料加筋土擋墻破壞形態的基礎上，總結歸納了國內外有關土工合成材料加筋土擋墻極限平衡法、極限狀態法和有限單元法三種設計方法的發展及研究現狀，提出了該結構的設計發展方向。

【關鍵詞】土工合成材料；加筋土擋土墻設計破壞

1擋墻的破壞形式土工合成材料加筋土擋墻的破壞形式主要有三類：①外部穩定性破壞；②內部穩定性破壞；③加筋土擋墻的變形破壞。目前國內外加筋土擋墻的設計主要是基于①、②進行穩定性驗算的。外部破壞一般表現為結構的整體失穩、傾覆等，其力學行為與重力式擋墻相似，破壞的主要表現形式有平面滑動、傾覆破壞、地基破壞和深層滑移。內部破壞發生在加筋土體的內部，主要表現為拉筋材料的拉斷破壞、拔出破壞以及由于拉筋和面板連接處的局部應力超過構件的構造強度發生的連接件破壞。變形破壞是指加筋土結構雖未發生整體失穩，但由于其變形過大而喪失正常的使用功能，主要包括加筋土擋墻墻面的過大變形和地基的沉降破壞兩種形式。在實際工程中，加筋土支擋結構的破壞往往表現為綜合性的破壞，各種破壞形式互相交叉、互相轉化。

2設計方法概述土工合成材料加筋土擋墻的設計方法很多，但可歸納為極限平衡法、極限狀態法和有限單元法三種。極限平衡法和極限狀態法是用于分析加筋土擋墻極限破壞時的穩定安全系數，有限元法則用于分析加筋土擋墻在工作應力狀態和極限破壞狀態時拉筋材料的拉力分布與土體變形情況。一個完整的加筋土擋墻的設計分析應包含極限平衡分析、工作應力狀態分析及墻體變形量的估算等內容。

2.1 極限平衡法目前，土工合成材料加筋土擋墻的設計方法普遍采用極限平衡分析方法。該方法是對加筋土擋墻進行穩定性驗算，即分析計算墻體整體結構內、外部穩定破壞所需的拉筋材料強度及應力分配。外部穩定性設計分析是將加筋土體視為具較高強度的復合土體，再依據傳統重力式擋土墻外部穩定性設計分析方法進行計算。內部穩定性設計分析是以錨固楔體法為基礎的設計方法，先假設側向土壓力分布狀況，再計算不同深度處平衡該側向土壓力所需的拉筋材料的強度及應力分配。德國建筑研究所的DIBt（ Deutches Institutefur Bautechnik）設計方法已在歐洲廣泛使用，并流行到其它地方。該方法基于錨固楔體法，但其又有自身的特點。加筋土體墻背側向土壓力設計采用庫侖土壓力理論，土體強度采用有效內摩擦角，基礎承載力則采用Meyerhof分布形式。計算時考慮了改進的太沙基承載力公式，且考慮由主動土壓力產生的合力偏斜作用。內部穩定型分析采用雙楔體法，先估計拉筋的布置，只著重考慮拉筋的拔出破壞，采用的破裂面是折線型的，假設滑動面上部沿加筋體邊緣且

析，對極限平衡法進行合理的修正，使其更接近工程實際。

2.2極限狀態法在極限平衡設計方法中，直接以土的峰值強度（或殘余強度）為指標，給定一個保證結構不發生破壞的總體安全系數，沒有或很少考慮結構的變形。而對于廣泛應用的土工合成材料加筋土擋墻來說，如果在設計中不考慮其變形，顯然是不合理的。極限狀態法自20世紀80年代在結構工程中開始使用， 90年代在巖土工程得到應用。在極限狀態法中，一個特點是同時考慮強度和變形，即臨界極限狀態ULS（ ultimate limitstate）承受靜載荷與活載和功能極限狀態SLS（ serviceability limit state）。另一個特點是引入風險系數（即分項安全系數）來代替整體安全系數。對基于極限狀態設計方法的土工合成材料加筋土擋墻來說，一是可以考慮不同極限狀態下的各種材料之間的應變兼容性，同時還可以考慮內外部環境對材料耐久性的影響。隨著土工合成材料在加筋土結構中的應用和發展，其特殊張拉應變特性要求設計上將加筋土結構的邊界變形及內部應變協調性直接（而不再是間接）作為設計準則來控制和評價結構設計。極限狀態設計法的設計思想因此應運而生，其核心是引入了臨界極限狀態分析、功能極限狀態分析以及分項修正系數PF（ Partial Factors）的概念。規范BS8006（1995）/FHWA（1997）/ AASHTO（1997）/NCMA（1997）等部分采用了極限狀態法的思想或在不同程度上已初步解釋了極限狀態設計法以及分項修正系數的概念。按照BS8006，對平面狀或條帶狀拉筋材料的加筋土擋墻來說，其設計方法分為錨固楔體法與粘結重力式法（ Coherent Gravity），采用的方法與拉筋材料的延伸性有關。BS8006規定在所有設計情況下，分項安全系數在考慮完全破壞的極限狀態下其值應> 1.0，若改為功能極限狀態，則其值為1.0；設計荷載則由土體及拉筋材料的復合性質來提供阻抗能力，土體強度乘以分項安全系數則為設計強度。拉筋材料若為金屬時，其設計強度僅需將材料極限抗拉強度除以分項安全系數即得；至于土工合成材料拉筋，則需將拉伸蠕變斷裂強度與拉伸蠕變應變控制強度分別除以分項安全系數后，取最小者為設計強度。

2.3有限元分析方法土工合成材料加筋土擋墻的有限元分析是一個十分復雜的問題，涉及到填料、拉筋、地基以及拉筋與填料和拉筋與地基的相互作用等因素。土工合成材料加筋土擋墻的數值計算方法主要分為三類：①將拉筋單元與土單元分開考慮，拉筋單元與土體單元之間設接觸面單元；②拉筋與土體合成為一體，作為復合材料考慮；③將拉筋作為外荷載考慮，直接作用在土體單元上（僅土體單元）。與極限平衡法相比，有限元分析的優越性是將加筋土擋墻的變形協調和應力平衡結合在一起，克服了傳統的極限平衡法將兩者完全分開的局限。該方法不僅能計算出土體中各點的位移、應力、應變和應力水平，提供受荷后土體與拉筋的應力場和位移場，還能在計算中考慮土體的非均質和非線性、土體與拉筋隨時間的變化、施工程序和荷載變化情況，而且還可以模擬某些復雜性質和過程。這些都彌補了極限平衡法的不足，但是由于有限元法的參數需要進行復雜的試驗來確定，加上難以對破壞進行定量的判斷，限制了有限元法在實際工程中的應用。3結語目前，我國有關土工合成材料的應用技術規范都對土工合成材料加筋土擋墻的設計理論進行了闡述，均基于極限平衡法中的粘結重力式理論即錨固楔體法。由于土工合成材料本身的特殊性質以及加筋土作用機理的復雜性，所采用的設計理論和規范只能解釋土工合成材料加筋土擋墻結構的穩定性問題。而極限平衡法忽略了拉筋的變形、不同部位的相互作用以及擋土墻施工過程、演化與形態形成等問題，在這些過程中極限平衡理論分析的只是一種單一的狀態，其變形控制一般是以防止內部或外部穩定破壞的安全系數來保證其在極限范圍內。隨著山嶺區建設以及新建鐵路、公路上跨既有線路，使得擋墻高度增大，盡管可以通過設置臺階式擋土墻來解決，但會使土工合成材料加筋擋墻設計的復雜性和難度增加。因土工合成材料加筋土高擋墻的過大水平變形而導致墻體失穩的事故國內外均有發生，在達到極限平衡狀態之前，土工合成材料加筋土擋墻有一個變形的發展和積累的過程，這個變形發展過程中潛伏著強度破壞因素的積累，因此，變形問題有時會起著控制作用，在設計中應予以考慮并進行適當控制。