生態擋土墻剪切帶的演化數值分析

張俊騰，曹文峰，尤文貴

(福建農業職業技術學院 園藝園林學院，福建 福州 350119)

0 引言

生態擋土墻采用土工合成材料返包[1]替代剛性面板作為傾斜式墻面，可便于在墻面種植灌木草本等植物，以形成立體的生態支檔系統。生態加筋擋土墻與傳統加筋擋土墻相比具有如下特點：(1)施工簡便、造價低。(2)可以防止水土流失，生態環保又兼具景觀功能。(3)可以避免出現填料土與墻面沉降差而導致的墻面不平整。(4)適用的工程領域更廣闊[2]。生態擋土墻具有良好的力學與生態功效，被廣泛應用于鐵路[3]、公路[4]和河道[5]等領域。然而，作為一種新型的支檔結構，其理論研究遠落后于工程實踐[6]。目前生態擋土墻的設計大多參考傳統加筋擋土墻的設計方法，即以極限平衡法[7]為理論基礎。其設計計算包括外部穩定計算和內部穩定計算兩大部分。規范[8-11]規定：外部穩定計算包括地基承載力、整體穩定、抗傾覆和抗滑移，內部穩定計算包括筋材拉力和抗拔。規范[8-11]推薦計算邊坡穩定性所采用的極限平衡法大多基于瑞典條分法[12]，其基本原理[13]是：通過將滑移面以上的土體劃分為有限個剛體計算不同滑移面處于極限平衡狀態下所對應的安全系數，選出最小安全系數及所對應的滑移面。目前工程師普遍采用的理正巖土分析便是基于該原理對擋土墻的穩定性進行計算。實際上，擋土墻在外界環境作用下土體的強度會逐漸減小。有限元強度折減法通過不斷減小土體的抗剪強度，使擋土墻達到瀕臨破壞狀態，從而計算得到安全系數和滑移面，這種方法顯然更符合實際[14]。研究傳統加筋擋土墻應力應變的文獻[15-18]很多，但是對穩定性分析，特別是對軟土地基上的加筋擋土墻穩定性研究的文獻不多。生態擋土墻與傳統加筋擋土墻在結構上的區別主要在墻面板的形式，本文將介紹生態加筋擋土墻的結構形式，采用有限元法驗證傳統加筋擋土墻設計方法在生態擋土墻上的適用性，并從剪切帶入手，重點分析生態擋土墻在軟土地基上的破裂面受結構填土、加筋體剛度和筋土界面折減強度影響的演化規律。

1 數值模型的建立

擋土墻采用主流的結構形式，如圖1所示。擋土墻的橫截面為平行四邊形，坡率為1∶0.8，擋土墻高為6 m，加筋體間距為0.5 m，加筋體水平投影長度為6 m，每鋪設一層加筋體返包長度為2 m。擋土墻采用的幾何模型、施工過程和各土層參數參考Bergado[19]在泰國曼谷做的現場試驗的原始數據。

圖1 生態擋土墻結構

如圖1所示，擋墻高6 m，墻厚6 m，加筋體間距覆蓋的風化層厚度為2 m。邊界條件為左邊15 m，右邊25 m。目前生態擋土墻的墻面做法主推柔性生態袋和自嵌式新型土工織物[20]包裹，兩者均需在外端部分將加筋體折回一定長度進而將生態袋或土工織物包裹在墻表面。根據規范[8-11]，本文的返包長度取2 m，加筋體剛度EA=1 000 kN/m。如圖2所示，模擬擋土墻逐級填筑施工的過程，每層填筑厚度為0.5 m，加筋體間距為0.5 m，加筋體長度為6 m，軟土層厚8.5 m，固結時間為3 d，總共12層，工期為36 d。由于軟土地基的固結變形周期較長，本文有限元模擬階段延長到0～200 d。各土層泊松比v均為0.25，材料模型為HSS[21]，m為剛度應力水平相關冪指數，砂土取0.5，黏土取0.8。施工模擬過程見圖3，其余參數詳見表1。

圖2 擋土墻的有限元模型

圖3 有限元的施工模擬過程

表1 各土層計算參數

2 結果分析與討論

采用極限平衡法計算加筋擋土墻的穩定性一直以來都是規范推薦的方法，但是其計算結果偏于保守。采用有限元法計算結果更加接近實際[14]，為了驗證采用有限元法計算結果的可靠性，本文將極限平衡法計算結果與有限元計算結果進行對比。本文采用的PLAXIS軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件。采用該軟件分析加筋擋土墻穩定性的研究很少，從剪切帶入手分析軟土地基上破壞模式的研究就更少了。圖4(a)為采用GEOSTUDIO軟件計算的安全系數，圖4(b)為采用PLAXIS軟件計算的安全系數，兩者的滑移面性狀基本類似，安全系數后者比前者略大。加筋擋土墻的墻面板剛度能夠提高其穩定性，但是對于軟土地基其作用有限[22]，如圖5所示：當填土強度c=10 kPa，內摩擦角φ=27°時，改變墻面板的形式和剛度，擋土墻剪切帶性狀沒有變化，均為深層滑動破壞；同理，當填土強度c=2 kPa，內摩擦角φ=18°時，改變墻面板的形式和剛度，擋土墻剪切帶性狀也沒有變化，均為傾覆破壞。

(a)極限平衡法安全系數Fs=1.624

(a)生態擋土墻，c=10 kPa，φ=27°

為了更好地分析生態擋土墻剪切帶的演化過程，本文分別在軟土地基與硬土地基上，通過改變不同的填土強度、加筋體剛度和筋土界面折減強度分析剪切帶的變化情況。硬土地基的擋土墻模型除了與表1的軟土層參數不同外，其余土層參數、幾何模型和施工過程均與軟土地基一致。硬土地基的風化層下面8.5 m厚的土層強度c取30 kPa，內摩擦角φ取30°，壓縮模量取20 000 kPa。

如圖6(a)(b)所示，填土強度c=2 kPa，內摩擦角φ=18°時，軟土地基上的剪切帶從坡趾點向上發展與硬土地基上的剪切帶性狀基本一致，均未超出Leshchinsky提出的0.3H法[23]確定的折線區域。當軟土地基填土強度c=2 kPa，內摩擦角φ=27°時，剪切帶向地基深處演化，繼續增大填土強度時，剪切帶演化成近似瑞典條分法確定的圓弧狀[24]，如圖6(c)(e)所示。然而，對于硬土地基上的擋土墻，當填土強度c=2 kPa、c=10 kPa，內摩擦角φ=27°時，剪切帶依然從墻趾向上發展，但超出了0.3H法[22]確定的折線區域，表現出了滑移破壞的趨勢，如圖6(d)(f)所示。以上剪切帶的演變說明了：軟土地基上的生態擋土墻的破壞模式具有一定程度的模糊性，當填土強度較小時容易發生傾覆破壞，反之則容易發生深層滑移破壞。當填土強度較小時，硬土地基上的生態擋土墻容易發生傾覆破壞，反之則容易發生滑移破壞。該結論與藍日彥等[25]采用室內試驗方法研究生態擋土墻穩定性得出的結論基本一致。

(a)軟土地基，c=2 kPa，φ=18°

如圖7(a)(c)所示，當軟土地基上的擋土墻加筋體剛度EA分別為4 000、3 000 kN/m時，剪切帶貫穿加筋體末端向地基深處發展呈近似瑞典條分法確定的圓弧狀[24]，其破壞模式為深層滑移破壞。當軟土地基上的擋土墻加筋體剛度減小到EA=500 kN/m時，剪切帶演化成在墻身部分積聚并未向地基深處延伸，如圖7(e)所示。這說明，加筋體剛度不足，自身材料變形過大不能有效抑制墻身的塑性區發展。這也意味著，如果加筋體剛度不足時，穩定性計算的主控項目應該是墻身而非地基。對于硬土地基如圖7(b)(d)(f)所示：當加筋體剛度EA從4 000 kN/m逐漸減小到500 kN/m時，剪切帶從分布在墻身下部向墻身上部演化，說明破壞模式由滑移破壞轉向傾覆破壞。該結論與朱彥鵬等[26]采用ADINA有限元軟件進行數值分析的結論基本一致。

(a)軟土地基，EA=4 000 kN/m

目前受到認可的加筋機理分別為準黏聚力理論[27]和摩擦加筋理論[28]。如果加筋體剛度不足則無法與填土形成穩定的復合材料，即土體準黏聚力無法得到有效提高，這可以用準黏聚力理論來解釋。同樣的，如果填土強度不足或者筋土界面相互作用強度不足則無法保證填土與加筋體之間有效的摩擦力，這可以用摩擦加筋理論來解釋。對于軟土地基，當筋土界面相互作用折減強度Rinter由0.7逐漸減小到0.2時，剪切帶由圓弧狀向折線狀演化，如圖8(a)(c)(e)所示。對于硬土地基，當筋土界面相互作用折減強度Rinter由0.7逐漸減小到0.2時，其破壞模式由滑移破壞向傾覆破壞轉化，如圖8(b)(d)(f)所示。該結論與黃向京等[29]采用Rosenblueth矩估計方法研究加筋格賓擋土墻外部穩定性時得出的結論基本一致。

(a)軟土地基，Rinter=0.7

3 結語

本文采用有限元法，并設定不同的設計參數，涵蓋更廣泛的工況，分析生態擋土墻剪切帶的演化。陳建峰等[30]采用離散單元顆粒流程序和有限差分程序分別模擬加筋擋土墻和本文軟土地基得出的結論基本一致，因此本文研究結論更具有工程實踐意義。

(1)軟土地基對生態擋土墻的破壞模式影響較大，當填土強度或者加筋體剛度不足時其破壞模式為傾覆破壞，反之則為深層滑移破壞。當加筋體或者填土強度不足時，硬土地基上的生態擋土墻破壞模式為傾覆破壞，反之則為滑移破壞。

(2)在設計生態擋土墻時應該根據現場勘查報告采用有限元法補充計算其穩定性，合理選用填料和加筋體材料，并根據剪切帶的演化判斷設計主控項目，避免出現材料浪費和安全隱患。