王 怡 羅丹霞 杜雪芳 張訓(xùn)忠

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

近10年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展、人們的生活水平也得到了很大改善。擁有一個(gè)健全、高效運(yùn)作的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是取得這些驕人成果的必要條件之一。我國(guó)地質(zhì)狀況復(fù)雜，區(qū)域間差異很大，當(dāng)前道路修建中高等級(jí)道路的比例不斷增長(zhǎng)，對(duì)路基處理、防止沉降提出了很高的要求，采用加筋土擋墻這一結(jié)構(gòu)形式無(wú)疑的是一種經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)妥的解決辦法。加筋擋土墻是一種較為特殊的結(jié)構(gòu)形式，其承受的主要載荷是墻背后的填土壓力和相關(guān)的外部載荷。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，擋土墻的穩(wěn)定性就會(huì)減弱，甚至?xí)霈F(xiàn)不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象，尤其當(dāng)加筋擋土墻作為公路、鐵路路基時(shí)，其除了可能遭受地震、爆炸等劇烈的動(dòng)力荷載外，還將長(zhǎng)期承受車輛動(dòng)荷載，因此，對(duì)這部分加筋擋土墻的穩(wěn)定性能提出了更高的要求［1－4］。隨著交通流量的增大以及重型車輛的增多，公路路基擋土墻的失穩(wěn)問(wèn)題已不是個(gè)例，而是具有一定的普遍性，僅山東省交通系統(tǒng)就有不少于30座路基擋土墻在使用過(guò)程中發(fā)生不同程度的失穩(wěn)現(xiàn)象。據(jù)分析，道路負(fù)荷超載是該類問(wèn)題的主要原因［4－8］。針對(duì)以上情況，本文結(jié)合工程實(shí)例，基于FLAC2D有限元數(shù)值分析方法對(duì)土工格柵加筋擋土墻在車輛荷載下的動(dòng)力特性進(jìn)行研究分析。

1 研究方法

1.1 工程實(shí)例

1995年建成的山東省荷澤市人民路公鐵立交橋加筋土擋土墻于2000年發(fā)生輕微墻體外傾，從2002年開(kāi)始?jí)w外鼓變形并逐漸加劇，至2003年6月?lián)鯄Τ霈F(xiàn)下列破壞:(1)墻體最大位移超過(guò)250 mm，兩側(cè)護(hù)攔內(nèi)傾，頂部面板局部脫落;(2)墻面變形引起整個(gè)墻體沿軸線方向外鼓，相對(duì)鼓出量達(dá)100 mm以上，南側(cè)擋土墻外傾嚴(yán)重，墻面混凝土預(yù)制塊間縫隙明顯，部分預(yù)制塊有破碎缺失現(xiàn)象;(3)路面出現(xiàn)縱向裂縫，并出現(xiàn)局部下陷。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

由于立交橋兩端接線加筋土擋土墻較長(zhǎng)，整個(gè)墻體沿軸線方向變形很小，可忽略不計(jì)，力學(xué)分析采用平面應(yīng)變模型。計(jì)算模型寬26.5 m，分別選取擋土墻高度為12 m，10 m，8 m和6 m的剖面，對(duì)應(yīng)的模型高度為17 m，15 m，13 m和11 m。模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng)，模型底面限制垂直方向移動(dòng)。按前述失穩(wěn)加筋土擋土墻實(shí)例建立的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

加筋土擋土墻內(nèi)填土主要由亞黏土和砂土組成，采用莫爾－庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則描述。擋土墻除自重外，主要承受行車形成的動(dòng)載荷，原設(shè)計(jì)承載為汽－20 t，掛－100 t，模擬計(jì)算動(dòng)荷載按兩種極端情?？紤]，在模型上對(duì)稱布置4輛30 t載重車，同時(shí)作用在計(jì)算剖面上，載荷集度為40 kN/m。

圖1 17 m加筋擋土墻數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1 The numerical calculation diagram of a reinforced retaining wall

1.3 對(duì)稱車輛荷載下土工格柵受力情況分析

本文根據(jù)工程實(shí)際情況以及數(shù)值分析所得數(shù)據(jù)得到了擋墻不同高度處土工格柵在車輛荷載下受力隨時(shí)間的變化情況，如圖2所示。

圖2 不同高度處格柵軸力隨時(shí)間的變化圖Fig.2 The variation diagram of the grid axial force with time at different heights

根據(jù)圖2所示各高度處格柵軸力隨時(shí)間的變化情況可知:(1)在車輛荷載作用前，格柵在靜力平衡時(shí)，其受力情況隨所處高度不同而不同，底部0.5～1.5 m處格柵受力較小，其分布兩邊大、中間較均勻;當(dāng)格柵位于2.5～7.5 m時(shí)，格柵所受軸力明顯增大，且隨著格柵所處高度的增加，其兩端軸力峰值向中間移動(dòng)，致使其軸力分布呈“M”形狀;當(dāng)格柵位于8.5～11.5 m時(shí)，格柵所受軸力較中部處格柵有所減小，軸力分布呈倒“V”形，且隨著高度增加，其峰值處越顯“尖銳”。(2)當(dāng)車輛荷載作用于擋墻剖面時(shí)，各高度處格柵軸力隨荷載作用時(shí)間的增加而增大，各高度處格柵受力分布情況變化不大，但軸力峰值隨動(dòng)載時(shí)間的增加有向面板兩側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，因每次車輛荷載作用時(shí)間僅為0.15 s，其軸力增大幅值有限，當(dāng)荷載作用完成時(shí)，土工格柵憑借其自身良好的彈性性能以及較大的彈性模量和屈服強(qiáng)度使其內(nèi)部受力最大限度地恢復(fù)到先前靜力狀態(tài)，而當(dāng)擋墻作為路基長(zhǎng)期遭受車輛荷載，其上述過(guò)程將不斷重復(fù)，此時(shí)可將格柵受力看作是長(zhǎng)期的循環(huán)荷載，隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的改變，格柵將出現(xiàn)老化、疲勞以及應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，因此將會(huì)出現(xiàn)上述墻體外鼓變形并逐漸加劇等現(xiàn)象。

1.4 對(duì)稱車輛荷載下不同高度擋墻墻面水平位移

分別以擋墻高度為6 m，8 m，10 m，12 m建立模型，在相同對(duì)稱車輛荷載條件下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)各擋墻模型面板在t=0.15 s的水平位移數(shù)據(jù)得圖3。

圖3 不同高度擋墻在對(duì)稱動(dòng)載下墻面水平位移曲線(t=0.15 s)Fig.3 The horizontal displacement curve(t=0.15 s)of retaining walls at different heights under a symmetric dynamic load

由圖3可知，在對(duì)稱車輛荷載條件下，各高度處擋墻面板側(cè)向位移皆呈鼓狀，此點(diǎn)在墻體變形特性研究中得到了應(yīng)證，且各高度擋墻面板的水平位移峰值都大約出現(xiàn)在墻高的1/2處。當(dāng)墻體高度較小時(shí)(6 m)，由于加筋土體在車輛荷載下自身沉降以及格柵拉力對(duì)墻趾處面板的彎矩較小，致使面板的側(cè)向位移不能得以充分發(fā)揮，該高度下的墻體具有良好的穩(wěn)定性。隨著墻體高度的增加，面板的側(cè)向位移值有明顯的上升，墻體內(nèi)部格柵受力增大，最為顯著的特點(diǎn)是在墻體頂部及底部出現(xiàn)負(fù)側(cè)向位移。根據(jù)分析，頂部出現(xiàn)負(fù)側(cè)向位移的主要原因在于隨著墻體高度的增加，表面沉降越明顯，淺層格柵在車輛荷載作用下其中部沉降值明顯大于兩側(cè)，致使淺層格柵與面板的夾角較大，因此產(chǎn)生了較大的水平拉力使面板出現(xiàn)負(fù)向側(cè)位移值。在墻趾處出現(xiàn)負(fù)向位移的原因在于隨著墻體高度的增加，格柵拉力在墻角處產(chǎn)生的彎矩增大，面板在受力過(guò)程中以墻角為支點(diǎn)，有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，同時(shí)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明墻趾處有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2 結(jié)論

通過(guò)研究，本文得到以下結(jié)論:(1)格柵在靜力平衡狀態(tài)下，其軸力的大小與其所處的高度有密切關(guān)系。高度較低時(shí)(0.5～1.5 m)，格柵受力較小，隨著高度的增加(2.5～7.5 m)，格柵受到的軸力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，高度達(dá)到8.5～11.5 m時(shí)，格柵軸力與前高度范圍相比有少許回落，軸力在這個(gè)范圍內(nèi)變化不大，呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。(2)墻體外鼓變形并逐漸加劇等現(xiàn)象是由于格柵受到長(zhǎng)期的循環(huán)荷載作用，隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的改變，格柵出現(xiàn)老化、疲勞以及應(yīng)力松弛等現(xiàn)象造成的。(3)面板的側(cè)向位移受墻體高度的影響較顯著。隨著墻體高度的增加，面板的側(cè)向位移值有明顯的上升，墻體內(nèi)部格柵受力增大，最為顯著的特點(diǎn)是在墻體頂部及底部出現(xiàn)負(fù)側(cè)向位移。

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