加筋高擋墻的結構形式對水平位移的影響分析

摘 要：為研究結構形式對加筋高擋墻的水平位移的影響，對不同臺階高度、錯臺寬度、坡腳及護腳的加筋高擋墻進行數值模擬分析。結果表明，加筋能夠大大減小擋土墻的水平位移；單級墻高的減小對墻面水平位移的減小作用不大；多級擋土墻應設置寬度3m左右的錯臺，防止墻體從上到下水平位移持續增大；擋土墻坡度對擋墻水平位移影響較大，一般宜采用70?～80?；擋土墻應在墻趾處設置護腳，避免擋墻從底部滑出破壞。

關鍵詞：ADINA；加筋擋土墻；水平位移

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.087

0 引言

現代加筋土擋墻的設計多以強度控制為主，對整體變形的控制僅用安全系數>1.0來保證。隨著工程建設的發展，施工條件和地形地質條件更復雜，修建的擋土墻規模也越來越大，無疑增加了設計和施工的難度。而國內外由于加筋土擋墻水平位移過大導致擋墻失穩的事故并不鮮見。因此，對于加筋土擋墻設計，在強度控制的同時，必須同時兼顧變形控制，使變形既不影響結構正常使用，又不會導致結構整體失穩[1-2]。

目前，很多學者都對影響加筋土擋墻水平位移的因素做了分析和研究，取得了一些成果。文獻[3][4]分析了加筋長度、加筋間距與加筋體剛度對加筋土擋墻性能的影響。何偉[5]還用灰關聯法對各影響因素進行了敏感性分析，結果顯示加筋的豎向間距與擋墻高度對加筋擋土墻水平位移影響最大，其他因素影響次之。

呂鵬等認為，擋墻頂外荷載的大小及位置對水平位移的影響也較大[6]。廖知勇[7]等，得出在荷載作用下擋墻墻面水平位移沿墻高呈反“S”形曲線分布，最大值位于中下部。王家全等[8]還對加筋土擋墻的工后長期水平位移做了現場試驗研究。

對擋土墻結構形式方面的研究，相對較少。陳強等[9]認為要保證合理的臺階寬度，防止臺階處出現應力和位移集中現象。楊廣慶[10]認為，過大的臺階寬度對雙級加筋土擋墻基底垂直應力的減載效果不明顯。

因此，本文以廣西河池機場加筋土高擋墻為例，用ADINA建立模型，分析其水平位移分布和變化規律，探討加筋土擋墻結構形式對擋墻水平位移的影響，據此對加筋土擋墻結構設計提出一些建議。

1 工程概況

河池機場位于桂西北的丘陵山區，機場所處地形非常復雜，屬于喀斯特緩坡低山地貌，自然高差在100m～210m，自然坡度最大處達到60?。邊坡填筑標段，廣泛分布的煤矸石就地取材作為擋土墻填料。

擋土墻為四級高擋墻，總高60m，每級各15m，錯臺寬3m，坡度70°。采用鋼塑土工格柵加筋，豎向加筋間距為0.4m，從上至下各級擋墻中格柵的鋪設長度依次為25m，30m，37m，45m。擋墻護腳采用毛石混凝土砌筑，以坡腳為軸線向外5m、向內3m挖至基巖，并以鋼筋錨桿與基巖面連接。擋墻為筋材返包式，僅用聚丙烯長絲針刺無紡土工布反包植物土護面，再用鋼筋網罩固定[11]。

2 數值計算模型及參數

利用ADINA軟件建立加筋土擋墻的二維有限元分析模型，見圖1。

基巖、強夯層、填土均采用Mohr-Coulomb材料，墻趾處護腳材料參數取與基巖相同，土工格柵采用線彈性rebar單元，計算時將格柵與土體自動耦合，控制接觸節點的自由度。材料參數見下表1。

3 加筋土高擋墻的水平位移分析

3.1 水平位移分布

任意墻高下擋土墻墻面處水平位移最大，因此墻面水平位移最能代表水平位移沿墻高的分布。圖2為同時刻加筋和不加筋擋土墻墻面處水平位移豎向分布。（T=118，不加筋擋土墻破壞，T=148，加筋土擋墻完工。）

同時刻（T=118）加筋土擋墻和不加筋擋土墻墻面最大水平位移Xmax分別為10.77cm和49.66cm，加筋后擋墻水平位移減小幅度達78.3%，說明加筋可以大大減小擋土墻的水平位移。不加筋擋土墻Xmax位于墻趾處，而加筋土擋墻Xmax上移至約1/3墻高處，說明墻體內的筋材約束了土體的水平位移。

不加筋擋土墻墻面位移在墻趾附近產生突變，而沿著墻高向上，加筋擋土墻墻面水平位移X值大小先增大再逐漸減小，整體來看，加筋擋土墻在中下部的水平位移較大，說明加筋還能使墻體內部水平位移分布協調化。

3.2 擋土墻結構對水平位移的影響分析

以實際工程設計的加筋擋土墻形式作為基礎，控制變量，分析擋墻形式對擋土墻水平變形的影響。

（1）擋墻臺階高度H。分別取單級臺階高度H=10m，12m，15m，20m，計算該加筋高擋墻（總高60m）的墻面水平位移。從表2看出：單級臺階高度的減小，擋土墻的水平位移也減小，但減小效果不明顯。圖3可以看出，臺階高度變化，但墻面最大水平位移的位置基本不變，始終在最下級擋墻臺階附近，而且在錯臺處均有水平位移的突變（從上向下變小），說明錯臺具有卸荷作用，避免水平位移連續增大。

（2）臺階寬度D。圖4為臺階寬度D分別為1m～5m時的墻面水平位移分布圖。由圖可見，在擋墻中下部水平位移均較大，且隨著臺階寬度的增大，水平位移逐漸減小，但減小的幅度越來越小。

（3）坡角∠A。圖5為擋土墻墻面水平位移與坡角的關系曲線。由圖可知：坡角對墻面的水平位移的影響較大，坡角增大，水平位移明顯增加。

（4）護腳設置。原設計中，在墻趾處設置有漿砌石護腳，對比無護腳時擋墻的水平位移發現：墻趾護腳對減小墻體的水平位移的作用顯著，水平位移減小幅度高達23%。因此，在擋土墻墻趾處設置護腳，能夠減小擋墻水平位移，阻止擋墻沿墻趾處滑出破壞。

4 結論

變形控制在加筋土擋墻的設計中必不可少，對比分析了加筋與不加筋擋土墻的水平位移分布，以及單級墻高、錯臺寬度、坡角及墻趾護腳設置等結構設計對加筋擋土墻的水平位移的影響，得出以下結論：endprint

（1）加筋能夠大大減小擋土墻的水平位移，協調墻內的水平位移。擋墻中下部水平位移較大，應對中下部墻體加固，例如提高加筋材料剛度，增加加筋長度等。

（2）單級臺階的減小能夠減小墻面的水平位移，但減小幅度不大，當擋土墻較高時，宜結合施工的難易程度采用合理的臺階高度分級設置，一般單級臺高不宜超過15m。

（3）多級擋土墻錯臺寬度以3m左右為宜。既可防止墻體從上至下水平位移持續增大，破裂面貫通破壞，同時也可作為排水設施的平臺。

（4）擋土墻坡角對擋墻的水平位移影響很大，一般取70?～80?為宜。

（5）在擋土墻局部關鍵部位墻趾處設置護腳，能夠控制整體水平位移，避免擋墻在墻趾處滑出破壞。

參考文獻：

[1]楊廣慶，周敏娟，張保儉.加筋土擋土墻水平位移研究[J].巖土力學與工程學報，2005（07）：1248-1252.

[2]侯春嬌.土工格柵加筋擋土墻數值分析與優化設計[D].楊凌.西北農林科技大學，2012.

[3]何燕清，陳福全.軟土地基上加筋土擋墻的性能及其影響因素[J].山東交通學院學報，2015，12（04）：47-55.

[4]孔繁盛.加筋土擋墻合理布筋方式數值模擬分析[J].道路工程，2015（09）：36-38.

[5]何偉.加筋土擋墻變形計算研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.

[6]呂鵬，楊廣慶，龐巍，蔡德鉤.包裹式土工格柵加筋土擋墻水平位移研究[J].巖土力學，2006（10）：73-76.

[7]廖知勇，白皓，楊智翔，梁棟，邵國霞.加筋土擋墻變形和受力特性原位荷載試驗研究[J].路基工程，2016，1（13）：67-70.

[8]王家全，力量，蔣祖高，張亮亮.生態加筋土高擋墻長期變形的現場試驗分析[J].廣西大學學報（自然科學版），2017（04）：1407-1480.

[9]陳強，楊長衛，張建經，周新文.“5.12”汶川地震中高達加筋土擋墻破壞機理研究[J].鐵道建筑，2010（09）：73-77.

[10]楊廣慶，劉華北，吳連海，熊保林，李三妮.臺階寬度對加筋土擋墻垂直應力的影響研究[J].巖土力學與工程學報，2016（01）：209-216.

[11]齊文，丁一，梅平.高填方機場加筋擋土墻施工技術與質量控制[J].路基工程，2016（06）：196-198.

基金項目：安康學院高層次人才專項（2013AYQDZR14）

作者簡介：侯春嬌（1986-），女，碩士，助教，主要從事巖土工程方面的教學和研究。endprint