臺階式加筋土擋墻豎向附加壓力探討分析

王東東

(三門峽職業技術學院，472000)

臺階式加筋土擋墻豎向附加壓力探討分析

王東東

(三門峽職業技術學院，472000)

以梅坎鐵路雙級土工格柵加筋土擋墻為原型，應用大型非線性有限元軟件ANSYS建立加筋土擋墻模型，分析不同臺階寬度時，上級擋墻對下級擋墻產生的附加壓力。分析得出上級擋墻產生的附加壓力按一定的角度擴散到下級擋墻，隨著臺階寬度的增加，上級擋墻產生的附加壓力對面板處單元的影響減小。根據以往研究人員的結論，引入壓力擴散角的概念，提出一套計算上級擋墻對下級擋墻產生附加壓力的計算方法。

臺階；加筋土擋墻；附加壓力；擴散角

近些年來，我國公路、鐵路、水利水電等行業都進入了大規模的工程建設期，在建設中，加筋土擋墻發揮了很大的作用，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的擋墻，我國規范對加筋土擋墻的高度有明確的規定，因此需要建設新形式的加筋土擋墻，多級加筋土擋墻就是其中的一種。多級擋墻和單級擋墻相比，在計算的內容上是相同的，都是進行擋墻的內、外部穩定性分析，不同之處是在進行內、外部穩定性分析時，上級擋墻對下級擋墻的影響，在設計多級擋墻時如何考慮這種影響。通過和單級擋墻設計內容進行對比分析，對于多級擋墻的設計我們需要考慮的問題有如下幾個方面。

(1)跳臺寬度D對設計的影響。我們可以運用數學的思維考慮一下這個問題，假如跳臺跨度為0 m，則可以按單級擋墻設計，當跳臺寬度為無窮遠時，上級墻對下級墻沒有任何影響，可以單獨進行設計，因此跳臺寬度對擋墻的設計是一個重要的指標。

(2)多級擋墻的破裂面形狀。單級擋墻設計時，我國規范采用的是雙折線形，即擋墻上部是和墻面平行的直線距墻面的距離是0.3H，下部采用的是郎肯破裂面。對于多級擋墻的破裂面形狀如何確定，這關系到擋墻內部穩定性的計算。

(3)土壓力系數K的取值。單級擋墻設計時，我國規范采取的是變系數法。多級擋墻土壓力系數的取值關系到了拉筋強度和長度的取值。

本文將重點探討豎向附加壓力的計算。首先以王祥[1]在梅坎鐵路監測的土工格柵雙級加筋土擋墻為模型建立有限元模型分析不同臺階寬度對不同高度單元豎向附加壓力的影響，并且根據數值模擬結果和以往研究人員的原型測試結論，提出了一套計算附加壓力的計算方法。

1.臺階式擋墻數值模擬

1.1 模型建立

有限元模型的建立依據王祥等在梅坎鐵路監測的土工格柵雙級加筋土擋墻，該擋墻分為兩級其中上級墻高為6.4 m，下級墻高為1.0～7.6 m，兩級墻之間設2.5 m的跳臺。墻面板采用的是混凝土預制板，面板長1.1 m，寬0.6 m，厚0.12 m，拉筋采用的是國產SDL-50型單向拉伸土工格柵，幅寬為1.1 m，極限抗拉強度為50 kNm-1。拉筋分層滿鋪與填土面上，拉筋之間的間距為0.3 m，拉筋長度為10 m。在建立模型是為了減少計算占用的內存，我們在建立模型時作如下一些處理，只建立下級擋墻的有限模型，在下級墻的頂面上作用線性荷載來模擬上級擋墻傳遞下來的附加壓力，通過改變距墻面板的距離來假設跳臺寬度D的變化。按平面應變建立有限元模型，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點點接觸單元模擬它們之間的相互接觸。土體的本構模型采用D-P理想彈塑性模型，筋材和面板采用線彈性本構模型。建立模型時一些參數的取值如表1、表2所示。

圖1 臺階寬度2 m有限元模型

表1 物理參數取值表

表2 接觸面單元參數

1.2 結果分析

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

圖2 跳臺寬度2 m豎向應力圖

(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處單元進行分析，得出的結果如圖3所示。

圖3 H=7.2 m處不同位置應力圖

從圖中可以看出隨著跳臺寬度D的增加距面板不同位置處的單元應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處單元進行分析，得出的結果如圖4所示。

圖4 H=4.5 m處不同位置應力圖

隨著跳臺寬度D的增加，各個位置處應力值的變化是不同的，靠近面板處的單元應力值是減小的，0.8 m、2.0 m、4.0 m處應力值減小的速率是有明顯差異的，越靠近面板應力值減小的幅度越明顯。離面板較遠的單元隨著跳臺寬度D的增加，應力值緩慢的增加，后減小，但是當跳臺寬度為10 m時，也就是說上級荷載移出整個加筋區域時，距面板不同位置處單元的應力值又趨于相等，但呈現出距離墻面板越近，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處單元進行分析，得出的結果如圖5所示。

圖5 H=0.3 m不同位置應力圖

圖中各個位置的單元的曲線形式很相似，都有一個明顯的拐點，只是不同位置的單元，拐點的位置也不相同。靠近面板處的單元隨著跳臺寬度的增加，應力值驟減，和無上級荷載作用時的值幾乎相等，離面板中、后部的單元應力值都有一個平穩的過度階段，然后應力值驟減，當上級擋墻移出整個加筋區域時應力值變的幾乎相等。

(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處單元進行分析，得出的結果如圖6所示。

圖6 A=0.4 m不同高度應力圖

從圖6中可以看出距面板同一距離處單元應力值的變化曲線是相似的，隨著距擋墻頂面距離的增加，應力值的減小越緩慢，每條曲線隨著跳臺寬度的增加，都存在一個平穩的過度階段，并且過度階段的位置起始點也很接近。

(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處單元進行分析，得出的結果如圖7所示。

圖7 A=5.6 m不同高度應力圖

從圖7中可以看出距墻頂不同位置處單元的變化曲線形式是很相似的，都是存在一個平穩的過度階段，然后應力值隨著跳臺寬度的增加，應力值逐漸的減小，但是減小的幅度不近相同，擋墻上部應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行分析，同時選取了距墻面板同一距離，不同深度位置處單元進行分析。從圖中可以總結出幾點：隨著跳臺寬度的變化，應力值是變化的，并且最終的趨勢都是應力值隨著跳臺寬度D的增加而減小；應力值是按一定的角度，從擋墻頂部向擋墻底部擴散的，隨著跳臺寬度的增加，靠近面板處單元的應力值影響越小。

2．豎向附加壓力

多級擋墻的設計跳臺寬度D是設計的關鍵因素，因為它決定了對下級擋墻產生附加壓力的大小和分布的范圍，豎向壓力值決定了下級擋墻設計時拉筋的強度等級和拉筋的長度，因此通過合適的方法確定豎向附加壓力值的大小，對多級擋墻的設計時很重要的。美國FHWA[2]加筋土擋墻和陡坡設計施工指導中對多級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]在此基礎上提出了一套完整的設計方法，并和現場測試數據進行了對比分析，驗證了該方法的正確性。曾長賢[4]等也在 FHWA法的基礎上進行了修正。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擋墻傳遞壓力值的大小、上級擋墻的作用范圍(擋墻的寬度)、跳臺寬度的大小、下級擋墻的高度、下級擋墻填料性質等。在計算上級擋墻對下級擋墻產生的附加壓力時，作用在下級擋墻頂面上的壓力是按怎么的方式擴散的也就是說擴散角度的值，因為在知道下級擋墻墻頂壓力值，又確定了擴散角的大小，那么我們就可以近似的確定出下級擋墻不同深度附加壓力值的范圍和值的大小。因此，我們引入壓力擴散角的概念，并將壓力擴散角的大小和上級擋墻的寬度和下級擋墻的高度確立一個函數關系式，即根據不同的z/b的值，取不同的擴散角度，來計算附加壓力值的大小。時，θ值可內插得到。

表1 壓力擴散角(θ)[5]

加筋土擋墻作為一種柔性擋墻，在兩個方向都具有“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。根據以往現場原型測試結果也得出這一規律，因此在計算豎向附加壓力時應該考慮到這種壓力的釋放。根據跳臺寬度的不同，我們把整個加筋區域分 為 三 個 不 同 的 區 域 即 第 一 區 0.3D H≤ ； 第 二 區

圖8 加筋土擋墻區域劃分圖

圖9 下級擋墻豎向附加壓力計算圖

當0.3H x≤ 時，則

當0.3H x≤ 時，則

3.結論

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

(2)上述提出的附加壓力計算方法是在“0.3H”破裂面的基礎上提出的，計算式的合理性還需要進一步通過實測數據驗證。

[1]王祥，徐林榮. 雙級土工格柵加筋土擋墻的測試分析[J].巖土工程學報，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.臺階式加筋土擋土墻設計方法的研究[J].巖石力學與工程學報，2004,23(4):695-698

[4]曾長賢，王靖濤. 多級加筋土擋土墻設計方法研究[J].土工基礎，2003,17(2)：16-22

[5]中國建筑科學研究院.JGJ79-2002 建筑地基處理技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

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1007-6344（2015）09-0092-03