軟基上柔性加筋擋土墻的工作性狀研究★

張俊騰 楊 祁

(福建農業職業技術學院，福建 福州 350119)

0 引言

加筋擋土墻根據墻面的形式分為剛性面板和柔性面板的加筋擋土墻。剛性面板采用料石等剛性砌塊作為墻面板材料，與拉筋和填土三部分形成復合結構，具有剛度大、穩定性好等特點。柔性面板則采用加筋體返包的形式，返包區段采用草籽袋等進行填充很容易在墻面進行綠化種植，因而得名生態型擋土墻。柔性面板加筋擋土墻繼承了剛性面板加筋擋土墻的優點，受到了眾多領域的工程師的青睞。但是，國內外對柔性加筋擋土墻的研究并不成熟，特別是在軟土地基上的柔性加筋擋土墻的研究尤為少見。G. D.Skinner[1]采用有限元軟件模擬分析了軟土地基上的加筋擋土墻的應力應變，指出現有的理論只考慮軟土地基的影響，但并未考慮加筋擋土墻面板的形式。Dennes T[2]采用數值模擬對軟土地基上的加筋擋土墻進行了研究。數值模擬的本構模型采用M-C摩爾庫侖模型但并未考慮墻面板的形式，分析結果表明由于軟土地基的影響，加筋擋土墻的應力應變要比非軟土地基的要顯著的多。呂鵬、楊廣慶[3]采用數值模擬法分析了考慮柔性面板和軟土地基上加筋擋土墻的適用性。Charbel[4]研究了填土強度對加筋擋土墻的影響。陳建峰，顧建偉[5]采用原位試驗法研究了軟土地基上柔性加筋擋土墻的性能，并指出病害表現為墻身出現鼓肚現象。

本文采用Plaxis有限元軟件建立數值模型，分析不同地基土壓縮模量、地基土強度對柔性加筋擋土墻的墻頂沉降、墻背土壓力和筋材拉力的影響，并與剛性面板進行對比。

1 數值模型

本文有限元模型如圖1所示，坐標原點位于墻趾處，墻高6 m，共12層加筋體，每層間距為0.5 m，長度為8 m。根據《鐵路路基支擋結構設計規范》[6]規定，加筋體返包長度取2 m，加筋體剛度EA=2 500 kN/m。擋墻下部有一層1.5 m厚的風化層，風化層下面為軟弱下臥層。

加筋擋土墻的施工工藝為：從底層開始鋪設加筋體并回填填土，考慮到路堤長度普遍較長故每層工期為3 d，總共12層，總工期36 d。有限元模擬考慮各層土體的固結變形的影響，由于粘性土固結時間較長，數值模擬時間區段為0 d～200 d。各層土的本構模型采用HSS土體小應變硬化模型。采用數值模擬難點在于參數的選取，參數選取的準確與否直接關系到計算結果的準確性。各土層泊松比v均為0.25，其余參數如表1所示。對于比較難選取的兩個參數：小應變模量G0和剪切應變水平γ=0.7。筆者根據經驗數據：

γ0.7=0.000 2

(1)

(2)

2 結果分析與討論

如圖2所示，對于柔性面板，地基土壓縮模量Es=5 MPa時，最大沉降量為130 mm，當地基土壓縮模量Es=4 MPa時，最大沉降量為140 mm，當地基土壓縮模量Es=3 MPa時，最大沉降量為160 mm。很顯然，地基土壓縮模量越小，墻頂沉降也越大。如圖3所示，這個規律對于剛性面板的加筋擋土墻也同樣適用。不難看出，軟土地基上柔性和剛性面板的墻頂沉降均較大，主要位于墻身范圍內。不同的地方在于，柔性面板的墻頂沉降最大的點位于墻面附近，而剛性面板的墻頂沉降最大的點位于墻身中部附近。因此，在病害檢測時，柔性面板應該更加關注墻的臨空面一側，剛性面板應該更加關注墻的中部位置。

根據朗肯土壓力理論，擋墻的墻背土壓力有主動土壓力σa、靜止土壓力σo和被動土壓力σP。

具體公式如下：

其中,Ka=tan2(45°+φ/2);k0=1-sinφ′;KP=tan2(45°+φ/2);H為擋墻高。

如圖4所示，對于柔性面板，墻背土壓力沿著墻身從上到下呈逐漸增大的趨勢最大值為45 kPa。地基土的壓縮模量的變化對墻背土壓力的影響不大，總體上墻背土壓力分布在靜止土壓力線附近。

如圖5所示，對于剛性面板，墻背土壓力沿著墻身從上到下也呈逐漸增大的趨勢，但最大值僅僅為30 kPa。墻背土壓力總體上分布在主動土壓力線附近，地基土的壓縮模量的變化對墻背土壓力的影響也十分微弱。

以上現象說明了，柔性面板的加筋擋土墻的墻背土壓力要比剛性面板的墻背土壓力要大的多。

同理，通過改變單一變量即改變地基土強度建立數值模型，分別計算柔性面板和剛性面板的加筋擋土墻的墻背土壓力。

如圖5所示，通過改變地基土的強度計算出的柔性加筋擋土墻的墻背土壓力均位于靜止土壓力線附近。說明了地基土強度的變化并不能改變柔性加筋擋土墻的墻背土壓力。

如圖6，圖7所示，通過改變地基土的強度計算出的剛性面板的加筋擋土墻的墻背土壓力曲線也幾乎重合在一起并分布在主動土壓力線內側。同樣也說明了地基土強度的變化也不能對剛性面板的加筋擋土墻的墻背土壓力造成影響。

加筋擋土墻從下到上共12層加筋體，第4層的具有一般性，固選擇該層最為代表。

如圖8所示，對于柔性加筋擋土墻，加筋體的拉力沿著筋材方向從墻面到末端從零開始先增大后減小，最后又緩慢增大的性狀，表現為雙峰現象，這也是軟土地基特有的性狀。這兩個峰值分別為12 kPa和9 kPa。不難看出，加筋體的拉力并未受地基土強度的變化而發生顯著的變化。

如圖9所示，對于剛性面板加筋擋土墻，筋材拉力從墻面始端到末端先增大后減小又增大的現象，同樣也表現出雙峰的性狀。筋材拉力隨著地基土強度的變化呈小幅的波動，即地基土強度減小筋材拉力呈小幅增大的趨勢。

通過比較可知，柔性面板的加筋擋土墻的筋材的拉力比剛性面板的加筋擋土墻的要大，但是在墻面板的位置前者為零，后者仍為一個不小的數值。

3 結語

本文通過分別改變地基土壓縮模量、地基土強度計算了軟土地基上柔性加筋擋土墻的墻頂沉降、墻背土壓力和筋材拉力并與剛性面板進行對比，得出了以下結論：

1)與剛性面板的加筋擋土墻不同的是，柔性加筋擋土墻的墻頂沉降量最大的點位于墻臨空面。

2)地基土的強度和壓縮模量對加筋擋土墻的墻背土壓力和筋材拉力的影響不大。

3)柔性加筋擋土墻的墻背土壓力分布在靜止土壓力線附近，其大小比剛性面板的加筋擋土墻要大的多。

4)軟土地基上的加筋擋土墻筋材拉力有兩個峰值，而且筋材拉力要比剛性面板的加筋擋土墻的大的多。