土工格室與扶壁式擋土墻復合支擋結構的有限元分析

黃玉純

(南昌鐵路勘測設計院有限責任公司，江西 南昌 330002)

0 引言

土工格室作為一種三維土體加筋材料，相比二維格柵，具有極大的優越性。其最直觀的優點就是對于承載力的明顯提高[1-5]，土工格室在軟基中產生的應力場對地基的變形機理產生一定的抑制作用，這類抑制作用通過旋轉主應力方向來改變潛在的滑移機制，從而提高了承載力[6]。除此以外，通過改變土工格室自身參數及鋪設方式，對路基的各項性能均有不同提升[7-10]，還適用于不同強度路基及不同填料[11-12]。

隨著物流和交通行業的迅速發展，以及發展經濟的需要，我國公路上大件貨物的運輸增多，且部分貨車存在超載現象，嚴重縮短道路使用壽命。針對日益顯著的“重載交通”現象，非常有必要研究擋土墻與加筋土復合支擋結構的承載特性。黎寰等[13]通過有限元分析，得出該結構具有良好的抗震性能。李浩等[14]以衡重式擋土墻為原型開展離心模型試驗，研究了加筋土對擋土墻墻背所受土壓力與土體壓實度的相互作用規律。吳迪等[15]結合模型實驗與有限元研究不同規模交通荷載作用下的擋墻變形、筋材應變。陳建峰等[16]結合模型實驗與有限元分析證實加筋土與擋土墻復合結構承載性能優越，對于軟土地基的大變形有良好的適應能力。可以看出，目前學者對于此結構的研究集中在以土工格柵或土工網加筋的擋土墻路基中，對于性能更好的土工格室則研究較少。此外，目前國內公路總里程及分布密度的逐年上升，使得城鎮地區修建公路土地資源緊張。因此在前人的研究基礎上，以扶壁式擋土墻為對象進行研究。扶壁式擋土墻由懸臂式擋土墻發展而來，廣泛應用于高填方路基，可以大幅度減小放坡面積和填方工程量。本文以已有項目為模型，基于有限元軟件ABAQUS建立扶壁式擋土墻與土工格室加筋土層的三維模型，開展不同加筋層數下的現場比例工況模擬，研究附加應力下該復合結構的最大沉降值、擋土墻位移、筋材應力隨加筋層數改變的演化規律，并提出可供現場設計參考的加筋方案，為類似結構工程提供設計依據。

1 工程背景

本文建模對象以余貴信大道為原型，其線路多處為扶壁式擋土墻填土路基，其中象山大橋附近采用了9.0 m以上的超高擋土墻。為減小竣工后長期交通荷載所引起的工后沉降，提高擋土墻工作穩定性，在此處填土中植入土工格室。

2 模型建立相關參數

2.1 模型尺寸

以現場工程為建模對象，為降低計算過程中邊界效應對結果的影響，提高計算效率，模型采取五扶壁結構并只選半幅路基進行計算，填筑路基總長為15 m，寬為10 m。擋土墻墻高為9.5 m，墻厚為0.5 m，扶壁厚度為0.3 m，扶壁間距為3 m，墻趾與墻踵板長分別為1 m和3 m，埋深1.5 m。

2.2 參數選取

在有限元模型中，可以將土工格室視為正交各向同性的線彈性材料[17]，土體本構模型選取廣泛應用于巖土工程問題中的Mohr-Coulomb模型[18]。擋土墻、路基、地基土之間的接觸設置為表面與表面接觸，接觸屬性切向罰函數，擋土墻與填土之間摩擦系數取0.65[19]，路基與地基土之間取0.3。法向接觸設置為硬接觸。耿大新[20]、Saad[21]等人通過研究得出利用ABAQUS中的“內置區域”在土體中植入土工格室的方法分析有效，通過此種約束可以模擬土-筋界面的復雜接觸。具體計算參數匯總如表1所示。

表1 參數匯總

2.3 邊界條件及網格劃分

邊界條件:采用底部固定、兩側水平約束。

網格劃分:對研究對象進行加密劃分可以兼顧計算精度與效率，故本次模擬對土工格室、路基及擋土墻進行加密劃分，土體及擋墻采用六面體C3D8單元網格，土工格室網格類型為四邊形S4殼單元，以無筋工況為例，整個模型共105 289個節點，88 482個單元，如圖1所示。

圖1 模型網格劃分

2.4 工況設置

本次計算工況設置以筋材鋪設間距為變量進行分析，所有工況下第一層土工格室位于墻高0.5 m處，設置間距為0.6 m、1.2 m、1.8 m 3種鋪設方式，研究各工況下路面最大沉降、各層土工格室應力規律、擋土墻水平位移，并提出此種復合型支擋結構下較為合理的加筋方式，為工程中相關結構提供設計依據。

3 結果分析

3.1 路面最大沉降分析

以1.8 m間距加筋工況為例，其豎向位移云圖如圖2所示。可以看出，沉降最大區域位于道路中間區域，并向四周呈衰減式擴散。將各個沉降最大區域所有節點通過“xy輸出”導出，并取最大值，可得出各個工況下的路面最大沉降，如表2所示。觀察發現，在本次模擬工況范圍內，計算得出的路面最大位移減小了4.2%～6.6%，這說明土工格室的“網兜”效應起了作用，有效地將附加應力往橫向分解，并通過各個格室之間相互平衡，最終起到控制路面沉降的作用。隨著鋪設間距越發密集，對于沉降的控制呈弱化規律，這說明少層加筋效益比高，多層加筋雖然對承載力有益，但效果有限，所以實際工程中應綜合考慮其經濟性進行筋材的鋪設。

表2 各工況路面豎向最大位移

圖2 豎向位移云圖

3.2 擋土墻水平位移分析

圖3為4種工況下擋土墻水平位移規律，s表示筋材鋪設間距。總體來看，由附加應力引起的擋墻位移最大處位于擋墻底部，并與擋墻高度成反比。可以看出，土工格室的植入使擋土墻在外力作用下往填土另外一側位移的趨勢減弱，并隨著間距的減小，這一趨勢越來越明顯。這是由于土工格室抵擋了一部分本該作用于擋土墻上的附加應力。具體數值如表3所示，在本次計算最密集加筋情況下，位移減小百分比可達16.7%，說明土工格室加筋對擋土墻的位移控制效果顯著。

圖3 各工況下擋土墻位移

表3 各工況擋墻最大位移

3.3 各層土工格室應力分布規律

如圖4所示，(a)(b)(c)分別為3種不同間距鋪設方式下的各層土工格室Mises應力云圖。Mises應力考慮了第一、二、三主應力，一般用于判斷延展性較好的材料，根據土工格室在土體中的受力情況，Mises應力可以綜合考慮3個主方向上的受力情況。可以看出，在附加應力作用下土層中的土工格室所受應力沿深度方向逐漸減小，可知上層格室處于高度工作狀態，并由于應力擴散原理，兩側格室所受應力要大于中間。此外，隨著加筋層數的提高，單層格室所受應力顯著減小，可見多個格室之間均攤了上部荷載傳遞下來的筋材應力。針對這點，對于實際工程土工格室的鋪設可以考慮在上層進行加密鋪設處理。

(a)1.8 m間距加筋

(b)1.2 m間距加筋

(c)0.6 m間距加筋

4 結論

本文通過ABAQUS有限元軟件對土工格室與扶壁式擋墻復合支擋結構進行4種工況的模擬，計算結果如下。

1)土工格室可以減小擋土墻路基中的豎向沉降，但隨著層數的提高，加筋的效益并沒有顯著提高。

2)附加荷載作用下擋土墻底部的位移最大，往頂部發展越來越小。通過土工格室的植入，對擋土墻位移的控制最高可達16.7%。

3)各層土工格室所受應力隨土層加深越來越小，且隨著筋材層數增多，各層之間相互分攤所受應力。

因此，采用上密下疏的加筋方式在土工格室和扶壁式擋土墻復合支擋結構中效益較高。