探析多級加筋土高擋墻變形與穩定性

蔡偉紅

（天津市市政工程設計研究院，天津300000）

1 引言

當前一些工程中，多級加筋土擋墻的實際應用方案與分析性理論還具有一定的滯后性，因此，怎樣高效完善其優化方案是相關工作人員應重點關注的問題，亟待相關人員的深入研究。

2 多級加筋土高擋墻的特性

加筋土擋墻是具有一定柔性的結構，其主要特點如下：施工技術簡單、成本較低、占地面積小、外形美觀等，通常應用在我國公路工程、機場工程等領域，越來越多的研究人員重視加筋土擋墻的筋土互相作用機理以及破壞性模式。

3 多級加筋土高擋墻的變形與穩定性分析

3.1 工程概況

現研究某三級地區土工格柵加筋擋墻，該工程位于山區，地表凹凸明顯，整體加筋土擋墻總高度為30m，第一級高度為7m；第二級高度為10m；第三級高度為13m，墻面之間的臺階寬度為2m，擋墻基礎采用鉆孔樁，樁端嵌入石灰巖，樁體直徑為1000mm[1]。單樁豎向承載力特征值為2000kN，在樁上現澆“L”形混凝土面板，作為下墻（第一級）基礎與面板，擋墻面板應使用C25混凝土預制擋墻模塊，采用的土工格柵應是單向工格柵，在第一級、第二級使用的擋墻間隔柵間距應保持在約0.5m，第三級擋墻與底部工格柵之間的距離也應保持在約0.5m，其他間距應在0.6m，基礎層到頂層墻面之間的設置的礫砂過濾層厚度應保持在約0.3m。擋墻所用材料應嚴格遵守相關規范，最好采用具有一定穩定性的碎石土，在確定擋墻外側標志位置之前，必須充分考慮洪水位的標志位置。要詳細地掌握擋土墻壓力的變化情況以及土體的位移變化情況，在特定情況下應適當地采用分級填土方式。

3.2 構建數值模型和幾何模型

對多級加筋土擋墻的數值模型進行構建的過程中，可以采用有限元軟件。在影響有限元分析結果的諸多因素中，擋墻結構邊界的影響相對較大，故此，為確保有限元分析結果的準確性，必須對地基的深度與水平方向的長度進行合理設定，結合本工程的實際情況，地基深度取10.0m，水平方向上的長度取40.0m。由于本工程中加筋土擋墻選取的斷面具有良好的均勻性，所以，可簡化為平面應變問題，并以加筋土擋墻從施工開始到結束的工況為依托完成相關計算。在有限元模擬中，可以采用板單元，對加筋土擋墻的墻面板與“L”形混凝土板進行模擬，并將土工格柵視作桿單元，地基與填筑材料可采用相應的模型進行模擬。需要注意的是，對加筋土擋墻的施工過程進行模擬時，應充分考慮土體的自重，通過單元控制逐級加載。

4 計算結果分析

4.1 擋墻水平位移

通過有限元軟件對本工程中加筋土擋墻的水平位移情況進行模擬分析之后發現：在本工程中，加筋土擋墻的水平位移較大的部位出現在擋墻的中部，而擋墻上部、下部以及各臺階處的水平位移相對較小。依據有限元計算結果可知，第二級擋墻水平位移最大部位出現在墻頂。經過現場實測后發現，第一級與第二級擋墻在變形趨勢上呈現出相同的狀態，并且二者在墻面垂直位移方面也非常相近，但第三極擋墻的變形趨勢卻與第一級和第二級擋墻的變形趨勢相反，即向內傾斜。有限元軟件的計算結果顯示第三極擋墻應當為向外側傾斜。究其根本原因如下：由于緊貼擋墻面板的填土很難達到標準要求的壓實度，并且臺階位置處的填土在施工完畢后，會產生一定程度的壓縮變形，引起第二級擋墻的墻趾位置處產生水平位移，從而使擋墻呈現出向內傾斜的變形情況。除此之外，在對加筋土擋墻的變形問題采用數值方法進行分析時，沒有充分考慮施工因素對擋墻造成的影響[2]。

4.2 擋墻土壓力

在對加筋土高擋墻變形問題進行分析時，擋墻的土壓力計算非常重要，通過對擋墻土壓力的計算可知：墻背水平土壓力通常會隨擋墻高度的變化而變化，即擋墻增高，墻背水平土壓力減小。由加筋土擋墻現場的實測結果可知，上部墻體與土壓力的計算結果非常接近，而中部和下部墻體的實測結果全都小于計算所得的土壓力。在每一級加筋土擋墻的墻趾處，均出現應力突變的情況，與單級擋墻的土壓力分布規律截然相反，造成該情況的主要原因是后一級的擋墻基礎伸入到前一級的擋墻中，加之臺階本身所具備的卸載作用，使得應力集中，致使墻背土壓力明顯大于各級擋墻中部的土壓力。

結合擋墻在實際工程中的應用情況可知：（1）垂直土壓力在墻頂端處較小，在三級加筋土擋墻的基底處較大，有限元軟件計算所得結果與實測增值結果不符，并且在鋪設土工格柵時，可能會因為張力不足致墻背土壓力偏小；（2）在本工程中，加筋土擋墻墻頂位置處的垂直土壓力較小，基底位置處的垂直土壓力較大，而有限元分析結果與現場的實測結果存在一定的不同，即有限元計算所得的垂直土壓力大于現場實測值[3]，引起這一問題的主要原因分析為：本工程在施工時采用的是機械化作業的方法，受施工機械的影響，加之填土本身的壓實度未能達到預期中的目標值，導致垂直土壓力與有限元計算結果不同；此外，在施工中對土工格柵進行現場鋪設時，因張拉不到位，給墻面板的位移提供了條件，施工完畢后，土壓力隨之釋放，造成墻背位置處的土壓力偏小。

4.3 擋墻的穩定性

多級加筋擋墻破裂面的位置會根據填土情況而變化，并且潛在破裂面會根據擋墻的高度發生變化，這是一種常見的擋墻破壞方式，與現場實際勘測結果相同。通過深入研究與探索可知，由于填土黏聚力與內部摩擦力的增大，穩定性也會隨之增強，多級加筋擋墻潛在滑裂面的位置必然向未加筋區域轉移。土工格柵的剛度與擋墻穩定性之間存在極為密切的關聯，即土工格柵剛度小，則擋墻穩定性差。因此，通過對土工格柵剛度的提升，能夠使擋墻的穩定性大幅度提高。但必須指出的一點是，拉筋的剛度增大后，滑裂面的位置會逐漸下移，所以，為使多級加筋土高擋墻結構趨于穩定，應根據軸向抗拉剛度選取適宜的土工格柵。同時，通過對擋墻加筋進行加密處理，擋墻的結構穩定性也會顯著提高。此外，填料的變形模量對擋墻的穩定性具有一定的影響，當填料變形模量的數值增大后，擋墻穩定系數的變化幅度會隨之減小，使擋墻的結構穩定性會進一步提高。

5 結論與分析

擋墻的水平位移隨工程進度的增加不斷增加，但是在工程結束后，各級擋墻頂的水平位移也會隨之加大，即如果工程實際周期比預測周期長，墻頂水平位移的穩定系數也會比預測穩定系數高。

6 結語

總之，結合多級加筋土高擋墻的變形與穩定性進行分析，調整工程進度非常必要，工程技術人員不僅要做好數據分析和處理，提高擋墻的穩定性，控制擋墻變形，還應在各項工程中總結經驗，保證擋墻的施工質量。