馬小斐，戚志慧，王智猛，蔣關(guān)魯

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

加筋土擋墻側(cè)向變形的影響因素分析

馬小斐1，2，戚志慧1，2，王智猛3，蔣關(guān)魯1，2

（1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

基于鐵路路基支擋工程，以正交設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，采用有限差分法分析了6個(gè)工程因素對(duì)加筋土擋墻側(cè)向變形的影響。分析結(jié)果表明:填料摩擦角和格柵剛度對(duì)加筋土擋墻側(cè)向變形影響顯著，格柵長(zhǎng)度、格柵豎向間距以及墻頂荷載有較明顯影響；地基體積模量的影響不明顯。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出加筋土擋墻設(shè)計(jì)的相關(guān)建議。

加筋土擋墻；側(cè)向變形；FLAC3D；正交設(shè)計(jì)方法；敏感性排序

加筋土擋墻是由擋墻面板、墻后填料和拉筋材料組成的柔性輕型支擋結(jié)構(gòu)。由于它具有良好的抗變形與抗震性能，并且具有占地面積少、施工簡(jiǎn)便、造型美觀、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外公路、鐵路、水利等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。作為一種柔性支擋結(jié)構(gòu)，加筋土擋墻在外荷載作用下勢(shì)必產(chǎn)生較大變形。隨著我國(guó)高鐵動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提升，對(duì)高速鐵路路基的變形控制更為嚴(yán)格。周健等［1］通過(guò)離心模型試驗(yàn)與FLAC2D數(shù)值模擬分析了筋材長(zhǎng)度、布筋間距和剛度對(duì)加筋土擋墻側(cè)向變形的影響，結(jié)果表明豎向間距影響最大，工程應(yīng)用中應(yīng)合理控制3個(gè)因素的取值。呂鵬等［2］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析得出加筋土擋墻變形規(guī)律并運(yùn)用Plaxis分析了拉筋剛度、長(zhǎng)度、豎向間距以及墻頂荷載對(duì)擋墻側(cè)向變形的影響，結(jié)果表明3個(gè)因素均應(yīng)合理取值以實(shí)現(xiàn)良好的加筋土擋墻性能。陳建峰等［3］對(duì)軟土地基加筋土擋墻進(jìn)行研究，分析了擋墻墻面出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象的原因。管振祥［4］采用ADINA研究了幾個(gè)主要因素對(duì)加筋土擋墻側(cè)向變形的影響程度。結(jié)果表明：在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制格柵剛度、拉筋長(zhǎng)度、墻面板形式等主要影響因素，并綜合考慮其他各方面因素。

目前，針對(duì)加筋土擋墻側(cè)向變形規(guī)律、基本影響因素和參數(shù)取值的研究主要是在單一因素變化條件下進(jìn)行的［5］，然而對(duì)多因素共同變化下的加筋土擋墻側(cè)向變形的研究還鮮有報(bào)道。有鑒于此，本文將基于一高速鐵路包裹式加筋土擋墻工程，采用有限差分法，對(duì)多因素共同變化條件下的加筋土擋墻側(cè)向變形進(jìn)行分析，并根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)影響側(cè)向變形的6大因素進(jìn)行敏感性排序。

1　模型建立與分析方法

1.1工況原型

本文以一高速鐵路路基的包裹式加筋土擋墻作為計(jì)算模型：擋墻高6 m，擋墻坡度為1∶0.1，面板采用頂部和底部寬度均為0.3 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度為C35、重度為25 kN/m3，鋼筋采用HRB400；墻后填料為無(wú)黏性卵石，地基為剛性；采用高密度聚乙烯單向土工格柵，鋪設(shè)長(zhǎng)度6.6 m，鋪設(shè)豎向間隔0.3 m，鋪設(shè)層數(shù)為20層，土工格柵剛度為100 kN/m。

1.2模型建立

數(shù)值模擬中地基與包裹碎石采用彈性模型；填料采用Mohr-Coulomb模型；土工格柵采用FLAC3D中Geogrid結(jié)構(gòu)單元。數(shù)值模擬采用分層填筑模型，填筑完成后施加路堤和車輛荷載［6］。建立的模型如圖1所示。計(jì)算完成后，將通過(guò)編制Fish語(yǔ)言提取擋墻的側(cè)向變形數(shù)據(jù)。

圖1　返包式加筋土擋墻

1.3研究?jī)?nèi)容與方法

很多專家學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)研究得出［7-9］：影響加筋土擋墻水平變形主要因素有地基的體積模量、土工格柵的彈性模量、土工格柵加筋間距、土工格柵筋長(zhǎng)、墻后填料摩擦角、上覆荷載。本文將針對(duì)這6大因素作具體分析，分析加筋土擋墻側(cè)向變形對(duì)影響因素的敏感性。

研究方法采用正交設(shè)計(jì)法。正交設(shè)計(jì)方法就是利用一套現(xiàn)成的正交表來(lái)安排多因素試驗(yàn)，正交設(shè)計(jì)方法在兼具全面試驗(yàn)法和單一試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有試驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)分布均勻、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)［5］。正交設(shè)計(jì)采用L32（49）標(biāo)準(zhǔn)正交表擬定FLAC3D數(shù)值試驗(yàn)。每個(gè)影響因素設(shè)立4個(gè)水平取值（見表1），共計(jì)32組試驗(yàn)（見表2）。

表1　因素水平

表2　正交設(shè)計(jì)方案

2　結(jié)果與分析

2.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖2所示為正交設(shè)計(jì)方案5模擬計(jì)算結(jié)果，擋墻面板沿高度方向的水平位移呈中間大兩端小的三角形分布，最大位移量為7.03 cm，發(fā)生在擋墻中部附近。擋墻面板呈明顯的鼓脹變形，與工程實(shí)際相吻合［1，7］。表明加筋土擋墻作為一種柔性支擋結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的釋放，保持整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用性能。表3所列為32組方案的最大水平位移。

圖2　方案5加筋土擋墻側(cè)向變形與位移

2.2因素敏感性分析

本文針對(duì)加筋土擋墻側(cè)向位移對(duì)各影響因素的敏感性大小采用方差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。方差分析是在方差相同的條件下檢驗(yàn)多個(gè)正態(tài)總體的均值是否相等，由此判斷各因素對(duì)指標(biāo)的顯著性影響。其基本思想是將數(shù)據(jù)的總變差平方和分解為因素的變差平方和與隨機(jī)誤差的平方和之和，并做F檢驗(yàn)。在選定的顯著性水平α下，當(dāng)其試驗(yàn)結(jié)果P值＜α?xí)r，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為該因素對(duì)指標(biāo)影響顯著，并基于P值大小判斷各因素作用的顯著性。將表3中最大水平位移作為結(jié)果列，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS通過(guò)方差分析獲得顯著性值Sig［10］。

各因素的影響敏感性排序可由Sig值大小確定。某種因素的Sig值越小，則該因素對(duì)擋墻側(cè)向變形的影響越大；某種因素的Sig值越大，則該因素對(duì)擋墻側(cè)向變形的影響越小。若Sig值≤0.005，則表示該因素對(duì)目標(biāo)影響顯著。最大水平位移方差分析結(jié)果見表4。

表3　墻面板最大水平位移cm

表4　最大水平位移方差分析結(jié)果

由表4可知，填料摩擦角與格柵剛度的Sig值分別為0.002，0.005均≤0.005，認(rèn)為它們對(duì)擋墻側(cè)向變形影響顯著；格柵長(zhǎng)度、墻頂荷載以及格柵豎向間距Sig值分別為0.292，0.330和0.419，則認(rèn)為它們對(duì)擋墻側(cè)向變形有較明顯影響；地基體積模量的Sig值為0.833，則它的影響不明顯。通過(guò)對(duì)各因素Sig值的分析可得出6個(gè)因素的敏感性排序?yàn)樘盍夏Σ两牵靖駯艅偠龋靖駯砰L(zhǎng)度＞墻頂荷載＞格柵豎向間距＞地基體積模量。在上覆荷載作用下，加筋土擋墻側(cè)向變形受填土摩擦角和格柵剛度影響顯著，工程設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮提高填料質(zhì)量與格柵的剛度來(lái)控制擋墻的側(cè)向變形。格柵長(zhǎng)度、格柵豎向間距對(duì)加筋土擋墻水平位移影響一般，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行選取，做到合理布筋，經(jīng)濟(jì)安全。地基體積模量的增加對(duì)加筋土擋墻水平位移的減小效果不明顯，不宜考慮過(guò)多增加地基體積模量來(lái)控制變形。

3　結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用FLAC3D軟件結(jié)合正交設(shè)計(jì)方法分析了加筋土擋墻側(cè)向變形對(duì)6大影響因素的敏感性大小，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析獲得加筋土擋墻側(cè)向變形對(duì)6大影響因素的敏感性排序：填料摩擦角＞格柵剛度＞格柵長(zhǎng)度＞墻頂荷載＞格柵豎向間距＞地基體積模量；

2）在上覆荷載作用下，加筋土擋墻側(cè)向變形受填料摩擦角和格柵剛度影響顯著，設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮提高填料質(zhì)量與格柵的剛度來(lái)控制側(cè)向變形；

3）格柵長(zhǎng)度、格柵豎向間距對(duì)加筋土擋墻水平位移影響較大，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行選取，做到合理布筋，經(jīng)濟(jì)安全；

4）在一定安全范圍內(nèi)，地基體積模量的增加對(duì)加筋土擋墻水平位移的減小效果不明顯，不宜考慮過(guò)多增加地基體積模量來(lái)控制變形。

［1］周健，謝鑫波，姜炯，等.包裹式加筋土擋墻的變形特性及影響因素研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（1）：148-154.

［2］呂鵬，楊廣慶，龐巍，等.包裹式加筋土擋墻水平位移研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（增）：973-976.

［3］陳建峰，顧建偉，石振明，等.軟土地基加筋土擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（增1）：3370-3375.

［4］管振祥.土工格柵加筋土擋墻水平變形影響因素敏感性分析［J］.鐵道建筑，2008（5）：74-77.

［5］倪恒，劉佑榮，龍治國(guó).正交設(shè)計(jì)在滑坡敏感性分析中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（7）：989-992.

［6］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［7］章為民，賴忠中，徐光明.加筋擋土墻離心模型試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（3）：84-91.

［8］欒茂田，李敬峰，肖成志，等.土工格柵加筋擋土墻工作性能的非線性有限元數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（14）：2428-2433.

［9］ROWER R K.SKINNER G D.Numerical Analysis of Geosynthetic Reinforced Retaining Wall Constructed on a Layered Soil Foundation［J］.Geotextiles and Geomenbranes，2001，19（7）：387-412.

［10］張紅兵，賈來(lái)喜，李潞.SPSS寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

（責(zé)任審編趙其文）

Analysis on Influential Factors for Lateral Deformation of
Reinforced Earth Retaining Wall

MA Xiaofei1，2，QI Zhihui1，2，WANG Zhimeng3，JIANG Guanlu1，2
（1.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

Based on a railway embankment retaining engineering，the effects of six engineering factors on the lateral deformation of reinforced earth retaining wall were analyzed by using the finite element difference method.Analysis results show that the packing friction angle and the geogrid stiffness are the significant factors influencing the lateral deformation of the reinforced earth retaining wall.T he length of the grating，the vertical spacing of the grid and the load on the top of the wall have obvious influence.T he bulk modulus of foundation is not sensitive to the reinforced earth retaining wall.According to the calculation and analysis results，some suggestions on the design of reinforced earth retaining wall were proposed.

Reinforced earth retaining wall；Lateral deformation；FLAC3D；Orthogonal design；Sensitivity ranking

U213.1+52.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.25

1003-1995（2016）10-0093-04

2016-04-14；

2016-07-05

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G003-C）

馬小斐（1992—），女，碩士研究生。