【摘 要】在分析了土工合成材料加筋土擋墻破壞形態(tài)的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外有關(guān)土工合成材料加筋土擋墻極限平衡法、極限狀態(tài)法和有限單元法三種設(shè)計(jì)方法的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，提出了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】土工合成材料；加筋土擋土墻設(shè)計(jì)破壞

1擋墻的破壞形式土工合成材料加筋土擋墻的破壞形式主要有三類(lèi)：①外部穩(wěn)定性破壞；②內(nèi)部穩(wěn)定性破壞；③加筋土擋墻的變形破壞。目前國(guó)內(nèi)外加筋土擋墻的設(shè)計(jì)主要是基于①、②進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算的。外部破壞一般表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)、傾覆等，其力學(xué)行為與重力式擋墻相似，破壞的主要表現(xiàn)形式有平面滑動(dòng)、傾覆破壞、地基破壞和深層滑移。內(nèi)部破壞發(fā)生在加筋土體的內(nèi)部，主要表現(xiàn)為拉筋材料的拉斷破壞、拔出破壞以及由于拉筋和面板連接處的局部應(yīng)力超過(guò)構(gòu)件的構(gòu)造強(qiáng)度發(fā)生的連接件破壞。變形破壞是指加筋土結(jié)構(gòu)雖未發(fā)生整體失穩(wěn)，但由于其變形過(guò)大而喪失正常的使用功能，主要包括加筋土擋墻墻面的過(guò)大變形和地基的沉降破壞兩種形式。在實(shí)際工程中，加筋土支擋結(jié)構(gòu)的破壞往往表現(xiàn)為綜合性的破壞，各種破壞形式互相交叉、互相轉(zhuǎn)化。

2設(shè)計(jì)方法概述土工合成材料加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法很多，但可歸納為極限平衡法、極限狀態(tài)法和有限單元法三種。極限平衡法和極限狀態(tài)法是用于分析加筋土擋墻極限破壞時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)，有限元法則用于分析加筋土擋墻在工作應(yīng)力狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)時(shí)拉筋材料的拉力分布與土體變形情況。一個(gè)完整的加筋土擋墻的設(shè)計(jì)分析應(yīng)包含極限平衡分析、工作應(yīng)力狀態(tài)分析及墻體變形量的估算等內(nèi)容。

2.1 極限平衡法目前，土工合成材料加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法普遍采用極限平衡分析方法。該方法是對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，即分析計(jì)算墻體整體結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部穩(wěn)定破壞所需的拉筋材料強(qiáng)度及應(yīng)力分配。外部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析是將加筋土體視為具較高強(qiáng)度的復(fù)合土體，再依據(jù)傳統(tǒng)重力式擋土墻外部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析是以錨固楔體法為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，先假設(shè)側(cè)向土壓力分布狀況，再計(jì)算不同深度處平衡該側(cè)向土壓力所需的拉筋材料的強(qiáng)度及應(yīng)力分配。德國(guó)建筑研究所的DIBt（ Deutches Institutefur Bautechnik）設(shè)計(jì)方法已在歐洲廣泛使用，并流行到其它地方。該方法基于錨固楔體法，但其又有自身的特點(diǎn)。加筋土體墻背側(cè)向土壓力設(shè)計(jì)采用庫(kù)侖土壓力理論，土體強(qiáng)度采用有效內(nèi)摩擦角，基礎(chǔ)承載力則采用Meyerhof分布形式。計(jì)算時(shí)考慮了改進(jìn)的太沙基承載力公式，且考慮由主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的合力偏斜作用。內(nèi)部穩(wěn)定型分析采用雙楔體法，先估計(jì)拉筋的布置，只著重考慮拉筋的拔出破壞，采用的破裂面是折線型的，假設(shè)滑動(dòng)面上部沿加筋體邊緣且

析，對(duì)極限平衡法進(jìn)行合理的修正，使其更接近工程實(shí)際。

2.2極限狀態(tài)法在極限平衡設(shè)計(jì)方法中，直接以土的峰值強(qiáng)度（或殘余強(qiáng)度）為指標(biāo)，給定一個(gè)保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的總體安全系數(shù)，沒(méi)有或很少考慮結(jié)構(gòu)的變形。而對(duì)于廣泛應(yīng)用的土工合成材料加筋土擋墻來(lái)說(shuō)，如果在設(shè)計(jì)中不考慮其變形，顯然是不合理的。極限狀態(tài)法自20世紀(jì)80年代在結(jié)構(gòu)工程中開(kāi)始使用， 90年代在巖土工程得到應(yīng)用。在極限狀態(tài)法中，一個(gè)特點(diǎn)是同時(shí)考慮強(qiáng)度和變形，即臨界極限狀態(tài)ULS（ ultimate limitstate）承受靜載荷與活載和功能極限狀態(tài)SLS（ serviceability limit state）。另一個(gè)特點(diǎn)是引入風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（即分項(xiàng)安全系數(shù)）來(lái)代替整體安全系數(shù)。對(duì)基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的土工合成材料加筋土擋墻來(lái)說(shuō)，一是可以考慮不同極限狀態(tài)下的各種材料之間的應(yīng)變兼容性，同時(shí)還可以考慮內(nèi)外部環(huán)境對(duì)材料耐久性的影響。隨著土工合成材料在加筋土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展，其特殊張拉應(yīng)變特性要求設(shè)計(jì)上將加筋土結(jié)構(gòu)的邊界變形及內(nèi)部應(yīng)變協(xié)調(diào)性直接（而不再是間接）作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)控制和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)思想因此應(yīng)運(yùn)而生，其核心是引入了臨界極限狀態(tài)分析、功能極限狀態(tài)分析以及分項(xiàng)修正系數(shù)PF（ Partial Factors）的概念。規(guī)范BS8006（1995）/FHWA（1997）/ AASHTO（1997）/NCMA（1997）等部分采用了極限狀態(tài)法的思想或在不同程度上已初步解釋了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法以及分項(xiàng)修正系數(shù)的概念。按照BS8006，對(duì)平面狀或條帶狀拉筋材料的加筋土擋墻來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)方法分為錨固楔體法與粘結(jié)重力式法（ Coherent Gravity），采用的方法與拉筋材料的延伸性有關(guān)。BS8006規(guī)定在所有設(shè)計(jì)情況下，分項(xiàng)安全系數(shù)在考慮完全破壞的極限狀態(tài)下其值應(yīng)> 1.0，若改為功能極限狀態(tài)，則其值為1.0；設(shè)計(jì)荷載則由土體及拉筋材料的復(fù)合性質(zhì)來(lái)提供阻抗能力，土體強(qiáng)度乘以分項(xiàng)安全系數(shù)則為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。拉筋材料若為金屬時(shí)，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度僅需將材料極限抗拉強(qiáng)度除以分項(xiàng)安全系數(shù)即得；至于土工合成材料拉筋，則需將拉伸蠕變斷裂強(qiáng)度與拉伸蠕變應(yīng)變控制強(qiáng)度分別除以分項(xiàng)安全系數(shù)后，取最小者為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.3有限元分析方法土工合成材料加筋土擋墻的有限元分析是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到填料、拉筋、地基以及拉筋與填料和拉筋與地基的相互作用等因素。土工合成材料加筋土擋墻的數(shù)值計(jì)算方法主要分為三類(lèi)：①將拉筋單元與土單元分開(kāi)考慮，拉筋單元與土體單元之間設(shè)接觸面單元；②拉筋與土體合成為一體，作為復(fù)合材料考慮；③將拉筋作為外荷載考慮，直接作用在土體單元上（僅土體單元）。與極限平衡法相比，有限元分析的優(yōu)越性是將加筋土擋墻的變形協(xié)調(diào)和應(yīng)力平衡結(jié)合在一起，克服了傳統(tǒng)的極限平衡法將兩者完全分開(kāi)的局限。該方法不僅能計(jì)算出土體中各點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)力水平，提供受荷后土體與拉筋的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，還能在計(jì)算中考慮土體的非均質(zhì)和非線性、土體與拉筋隨時(shí)間的變化、施工程序和荷載變化情況，而且還可以模擬某些復(fù)雜性質(zhì)和過(guò)程。這些都彌補(bǔ)了極限平衡法的不足，但是由于有限元法的參數(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜的試驗(yàn)來(lái)確定，加上難以對(duì)破壞進(jìn)行定量的判斷，限制了有限元法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。3結(jié)語(yǔ)目前，我國(guó)有關(guān)土工合成材料的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范都對(duì)土工合成材料加筋土擋墻的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了闡述，均基于極限平衡法中的粘結(jié)重力式理論即錨固楔體法。由于土工合成材料本身的特殊性質(zhì)以及加筋土作用機(jī)理的復(fù)雜性，所采用的設(shè)計(jì)理論和規(guī)范只能解釋土工合成材料加筋土擋墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題。而極限平衡法忽略了拉筋的變形、不同部位的相互作用以及擋土墻施工過(guò)程、演化與形態(tài)形成等問(wèn)題，在這些過(guò)程中極限平衡理論分析的只是一種單一的狀態(tài)，其變形控制一般是以防止內(nèi)部或外部穩(wěn)定破壞的安全系數(shù)來(lái)保證其在極限范圍內(nèi)。隨著山嶺區(qū)建設(shè)以及新建鐵路、公路上跨既有線路，使得擋墻高度增大，盡管可以通過(guò)設(shè)置臺(tái)階式擋土墻來(lái)解決，但會(huì)使土工合成材料加筋擋墻設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度增加。因土工合成材料加筋土高擋墻的過(guò)大水平變形而導(dǎo)致墻體失穩(wěn)的事故國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生，在達(dá)到極限平衡狀態(tài)之前，土工合成材料加筋土擋墻有一個(gè)變形的發(fā)展和積累的過(guò)程，這個(gè)變形發(fā)展過(guò)程中潛伏著強(qiáng)度破壞因素的積累，因此，變形問(wèn)題有時(shí)會(huì)起著控制作用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮并進(jìn)行適當(dāng)控制。