張立乾 陳紅 閆晶

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 100028)

引言

加筋擋土墻由面板、加筋體、土體三部分構(gòu)成。加筋擋土墻的面板是加筋擋土墻結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其主要功能有三個(gè): 一是和加筋材料通過可靠連接形成自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體,共同承受土體壓力載荷; 二是封擋其后土體、保護(hù)墻后加筋材料; 三是面板結(jié)構(gòu)整潔、美觀,提供建筑美學(xué)效果。嵌鎖式加筋擋土墻面板結(jié)構(gòu)是在相鄰的面板之間設(shè)置齒榫和齒槽,形成“咬合嵌鎖”的受力機(jī)制,從而增強(qiáng)面板結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,加筋材料反包內(nèi)置面板形成可靠連接,同時(shí)將加筋材料封閉在墻體內(nèi)部,避免了加筋材料直接暴露在外,有效延緩了加筋材料的老化。

為了研究這種嵌鎖式板面板加筋擋土墻結(jié)構(gòu)承載能力的科學(xué)合理性,基于數(shù)值計(jì)算,將嵌鎖式加筋擋土墻和其他四種擋土墻進(jìn)行承載能力的仿真對比試驗(yàn),以期對這種擋墻結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行必要的闡析。

1 嵌鎖式面板加筋擋土墻數(shù)值模型的對比

四種對比的擋土墻類型分別為純土臺(tái)、不加筋非嵌鎖式、不加筋嵌鎖式、加筋非嵌鎖式。嵌鎖式面板加筋擋土墻示意如圖1 所示。

圖1 嵌鎖式面板加筋擋土墻結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of reinforced concrete retaining wall with interlocking panels

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.計(jì)算模型

五種擋土墻計(jì)算模型如圖2 所示。

前三種擋土墻模式對應(yīng)不設(shè)置加筋的工況,重點(diǎn)關(guān)注面板的嵌鎖機(jī)制對擋墻承載性能的影響; 后兩種擋土墻模式對應(yīng)加筋的工況,重點(diǎn)關(guān)注面板的嵌鎖機(jī)制對加筋擋土墻承載性能的影響。

2.有限元建模

采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

模型尺寸: 面板寬度0.45m,高度0.2m;面板基座0.65m,高度0.2m; 土體寬度4.55m,高度1.6m; 土基全寬7m,面板前寬度1.8m,高度1.6m; 加筋材料嵌入面板0.45m,嵌入土體3.55m。

材料本構(gòu)關(guān)系: 土體和土基的本構(gòu)關(guān)系均采用摩爾庫侖模型; 面板和基座考慮到采用素混凝土材料,其強(qiáng)度、剛度均高出土體很多,所以采用彈性本構(gòu); 加筋材料采用彈性本構(gòu)。

圖2 五種擋土墻計(jì)算模型Fig.2 Five calculation models of retaining wall

相互作用: 面板和加筋體之間為接觸關(guān)系,接觸面切向摩擦系數(shù)為0.21,法向接觸均為硬接觸; 面板與其后填土、面板底座與周圍土體之間為接觸關(guān)系,接觸面切向摩擦系數(shù)為0.15,法向接觸均為硬接觸; 土基和土層之間為綁定約束; 土層和加筋材料為綁定約束。

邊界條件: 土基兩側(cè)采用水平約束,土基底部為豎向約束; 土層右側(cè)為水平約束。

單元網(wǎng)格劃分: 土基、土體、面板、基座采用4 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元CPE4R,面板和基座共劃分單元366 個(gè),土基劃分單元476 個(gè),土體劃分單元2912 個(gè); 加筋材料采用平面2 節(jié)點(diǎn)梁單元B21,劃分單元176 個(gè)。

3.物理力學(xué)參數(shù)

荷載作用: 1)結(jié)構(gòu)自重,容重取20kN/m3;2)土臺(tái)頂部分級施加均布載荷,見表1。五種模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indicator

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

純土臺(tái)模型計(jì)算到第5 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為71.06kPa,其塑性剪切帶為自墻角斜向上形成明顯的塑性剪切帶,云圖如圖3a 所示。不加筋非嵌鎖模型計(jì)算到第3 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為78.79kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3b 所示。相對于純土臺(tái)模型,不加筋非嵌鎖模型的極限承載力提高10.8%,非嵌鎖式擋土墻面板從下而上依次出現(xiàn)錯(cuò)位滑移,底部面板未出現(xiàn)較為明顯的間隙,面板整體位移形態(tài)呈現(xiàn)水平向錯(cuò)位滑移。不加筋嵌鎖模型模型計(jì)算到第4 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為83.5kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3c 所示。不加筋嵌鎖模型相對于純土臺(tái)模型,塑性剪切帶上移,極限承載力提高17.5%,相對于不加筋非嵌鎖模型,極限承載力提高5.6%,嵌鎖式擋土墻面板底部出現(xiàn)較為明顯的間隙,由于齒槽之間的咬合發(fā)揮作用,不會(huì)出現(xiàn)整體滑移,面板整體變位形態(tài)呈現(xiàn)繞底層面板前端的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 五種擋土墻結(jié)構(gòu)在極限荷載作用下塑性應(yīng)變云圖Fig.3 Plastic strain nephogram of five retaining wall structure models under limit load

加筋非嵌鎖擋土墻模型計(jì)算到第6 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為114.2kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3d 所示。相對于不加筋嵌鎖式擋土墻,加筋非嵌鎖擋土墻的極限承載力提高36.7%,其面板變形以相對滑動(dòng)為主,轉(zhuǎn)動(dòng)成分很少。加筋嵌鎖擋土墻模型計(jì)算到第6 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為162.5kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3e 所示。相對于加筋非嵌鎖擋土墻模型,加筋嵌鎖擋土墻的極限承載力提高43.3%,其面板變形以相對滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主,加筋對面板有明顯的拉結(jié)作用,從而使整體結(jié)構(gòu)整體承載能力提高,能承擔(dān)更重載荷。

將以上五種結(jié)構(gòu)型式的承載性能進(jìn)行對比,見表2,承載能力對比柱狀圖見圖4。不難看出,加筋嵌鎖式擋土墻極限承載力最大,相較于前四種擋土墻結(jié)構(gòu),分別提高128.7%、106.2%、94.6% 和43.3%。其墻頂水平向外的變位最大,變形發(fā)展最為充分。

圖4 承載能力對比柱狀圖Fig.4 Comparison histogram of bearing capacity

表2 五種擋土墻承載能力對比Tab.2 Comparison of five types of retaining walls

綜上,基于同等條件下五種擋墻結(jié)構(gòu)類型承載能力對比分析可以得出: 加筋嵌鎖式擋土墻具有最大的承載能力和最大的極限水平變位,是一種理想的擋墻型式。

2 工程方案經(jīng)濟(jì)性對比

某場區(qū)擋土墻工程長230m,墻體最高8.9m,最矮2.5m,平均墻高7.5m。選取有表征性的典型斷面進(jìn)行了嵌鎖式面板加筋擋土墻和鋼筋混凝土懸臂擋墻兩種設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性對比。鋼筋混凝土懸臂擋墻結(jié)構(gòu)見圖5,加筋擋土墻結(jié)構(gòu)斷面見圖6。兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)對比分析見表3?；趯Ρ炔浑y發(fā)現(xiàn),加筋擋土墻在施工便捷方面具有明顯優(yōu)勢,面板采取預(yù)制方式,化整為零,不需要大型施工設(shè)備。因此在造價(jià)上更具有明顯的優(yōu)勢,相對鋼筋混凝土懸臂擋墻可以節(jié)省31%,經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

圖5 鋼筋混凝土懸臂擋土墻斷面(單位： cm)Fig.5 Section of reinforced concrete cantilever retaining wall (unit: cm)

圖6 加筋擋土墻斷面(單位： cm)Fig.6 Section of reinforced and interlocking retaining wall (unit: cm)

表3 擋土墻方案對比Tab.3 Comparison table of retaining wall programs

3 結(jié)語

嵌鎖式加筋擋土墻通過上下相鄰面板之間設(shè)置齒榫和齒槽,形成“咬合嵌鎖”的受力機(jī)制,增強(qiáng)擋墻面板的整體穩(wěn)定性、牢固性; 又基于加筋材料反包內(nèi)置面板的連接技術(shù),大幅提高加筋材料和面板之間的連接性能,同時(shí)將加筋材料封閉在墻體內(nèi)部,有效延緩加筋材料老化。嵌鎖式加筋擋土墻系列技術(shù)同步申請了國家專利(ZL 2017 2 1539931.4、ZL 2017 2 1540660.4、ZL 2017 2 1539929.7、ZL 2017 2 1541155.1、ZL 2017 2 1539890.9)。數(shù)值仿真計(jì)算證明了這種擋土墻結(jié)構(gòu)在承載能力方面具有明顯優(yōu)勢,同時(shí)相較于傳統(tǒng)擋土墻,具有施工便捷、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。