龔錦林，柳厚祥，張軍輝

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

加筋土結(jié)構(gòu)由法國(guó)M.Henri Vidal于1963年提出，并且在法國(guó)普拉聶爾斯(Prageres)成功修建了世界上第一座加筋土擋土墻。隨后，加筋土技術(shù)在工程中得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)從70年代初就開(kāi)始加筋土擋土墻的研究工作。本文針對(duì)易失穩(wěn)陡坡地段開(kāi)發(fā)出一種新型加筋格賓擋土墻結(jié)構(gòu)[1]，其主要由裝填片塊石的蜂巢網(wǎng)箱+網(wǎng)面筋帶+聯(lián)接鋼筋+土釘/錨桿+填料組成。蜂巢網(wǎng)箱及網(wǎng)面筋帶是一體化生產(chǎn)，由鍍高爾凡覆塑的雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)制成。聯(lián)結(jié)筋及土釘/錨桿是由經(jīng)防腐處理后的φ22三級(jí)螺紋鋼筋制成。與傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)具有整體性好、柔韌性強(qiáng)、透水性優(yōu)、施工便捷簡(jiǎn)便、抗震性能好、造型靈活多變、工程造價(jià)低以及適應(yīng)變形能力強(qiáng)、地基承載力要求低等優(yōu)勢(shì)。而與普通加筋格賓擋土墻相比，由于筋材端部拉力靠墻背方向通過(guò)聯(lián)結(jié)鋼筋及土釘/錨桿傳力至錨固土體中。因而，此結(jié)構(gòu)也適用于半填半挖路段(尤其在臺(tái)階開(kāi)挖難度大的巖石地基段)，其具有施工作業(yè)面小，有效控制路基不均勻沉降等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)不同類型的加筋土擋土墻進(jìn)行了一些理論及試驗(yàn)研究，并取得了一些研究成果。Lo[2-3]等研究了用不同填料對(duì)雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)加筋機(jī)理、筋土界面特性，并提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。Bergado[4-8]等在雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)加筋機(jī)理研究上成果頗豐，通過(guò)對(duì)埋置于砂土中的鋼絲網(wǎng)所采取的系列抗拔試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)成果分析，認(rèn)為其抗拔力由摩擦力及承載力組成，承載力大于摩擦力，還提出抗拔力公式。Teeraw[9]等利用拉拔試驗(yàn)成果分析了鍍鋅格賓與覆塑格賓筋材的力學(xué)特性，認(rèn)為抗拔力隨上部壓力增大而提高。Youwai[10]等進(jìn)行了橡膠混合砂土加筋擋土墻性能研究，認(rèn)為加筋體剛度增加，筋材拉應(yīng)力則會(huì)相應(yīng)提高，墻體側(cè)向變形也會(huì)變大。楊果林[11]等、李昀[12]等和劉澤[13]等分別以依托湖南省湘潭-衡陽(yáng)高速公路西線加筋格賓擋土墻實(shí)體工程，進(jìn)行了系列室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。楊廣慶[14-15]等對(duì)加筋擋土墻結(jié)構(gòu)受力、變形狀態(tài)進(jìn)行了系列研究，并分析了其作用機(jī)理。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于加筋格賓擋土墻的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究不多，對(duì)此種新型結(jié)構(gòu)的擋土墻就更少。本文以湖南省安化某高等級(jí)公路K3+580～K3+640段為試驗(yàn)段，對(duì)此路段新型加筋格賓擋土墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比，研究新型加筋格賓擋土墻結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽康忍卣鳌?/p>

1 工程概況

湖南省安化某高等級(jí)公路新型加筋格賓擋土墻項(xiàng)目所屬區(qū)域?qū)偕降氐匦危瑲夂驖駶?rùn)。在對(duì)K3+580～K3+640挖方段進(jìn)行路基開(kāi)挖后，受上半年高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的降水影響導(dǎo)致路基左側(cè)臨空面發(fā)生坍塌，侵入路基范圍最大達(dá)2.3 m，塌方量為800多m3。坍塌高度一般在3～10.3 m，路基下邊坡地形坡度一般在47°～60°，下邊坡高度42 m。同時(shí)，依據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，此坍塌坡體主要位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)砂巖層(主要成分為石英，次為長(zhǎng)石等礦物；巖石裂隙較發(fā)育，泥質(zhì)物充填；局部含鐵質(zhì)成分較高)，其下為中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)砂巖層；巖層產(chǎn)狀169°∠69°；地下水不發(fā)育。經(jīng)慎重研究，此建設(shè)條件可采用新型加筋格賓擋土墻方案，圖1為新型加筋格賓擋土墻。

圖1 新型加筋格賓擋土墻

2 數(shù)值模型建立

本次研究利用FLAC3D建立新型加筋格賓擋土墻結(jié)構(gòu)模型。考慮到此擋土墻路堤加固段的長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于橫斷面尺寸，因此，本結(jié)構(gòu)模型可以作為平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)看待。模型沿路線方向取單位長(zhǎng)度1 m，寬度方向取20 m，路(地)基深度方向取12 m；擋土墻高度依設(shè)計(jì)取9 m，頂寬1 m，底寬5.5 m，墻面坡比1∶0.3；墻體共設(shè)4層水平加筋系統(tǒng)(即由下而上在2、4、6、8 m位置處分別網(wǎng)面筋帶+聯(lián)接鋼筋+土釘)；土釘采用φ22的螺紋鋼筋，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6 m。模型中格賓、筋材、土釘及填土分別建模。格賓選用Geo-grid模擬，格賓、筋材及土釘?shù)南嗷ミB接均設(shè)置統(tǒng)一的ID號(hào)，土釘采用錨桿單元。巖(土)體按彈塑性模型考慮，并服從摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則。格賓、筋材及土釘采用彈性模型。具體設(shè)計(jì)斷面及主要計(jì)算參數(shù)分別見(jiàn)圖2與表1。

圖2 新型加筋格賓擋土墻斷面

表1 巖土及筋材物理力學(xué)參數(shù)Table1 Parametersofgeotechnicalmaterialsandreinforce-mentmaterial材料ρ/(kg·m-3)E/MPaμφ/(°)C/kPa填土1900370.25349.4地基土2250410.22400.0網(wǎng)面筋帶22009500.3?22土釘78502×1050.28 注:網(wǎng)面筋帶厚度約為3mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工條件及監(jiān)測(cè)的便利性等因素，檢測(cè)儀器主要采用柔性位移計(jì)測(cè)量面墻水平位移，位移計(jì)共埋設(shè)5個(gè)。分別置于網(wǎng)箱背面的基底及其與網(wǎng)面筋帶結(jié)合部(網(wǎng)面筋帶的層間距為2 m)。該擋土墻施工較快，施工周期不到一個(gè)月。監(jiān)測(cè)工作從2015年11月到2016年10月結(jié)束。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擋土墻結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測(cè)成果分析，獲取了墻體變形、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽康确植家?guī)律。

4 擋土墻性能分析

4.1 墻體側(cè)向變形分析

圖3為新型加筋格賓擋土墻墻身實(shí)測(cè)值與數(shù)值分析值的變形規(guī)律。其中0、10、20 kPa分別為無(wú)車輛荷載及有車輛荷載附加荷載強(qiáng)度情況。實(shí)測(cè)值與分析值變形規(guī)律相似。墻體變形總體呈“勺型”分布，墻體中下部變形小，變形主要分布在上部，最大變形部位約在5/6倍墻高位置。實(shí)測(cè)值與無(wú)車輛荷載時(shí)狀況相近。上述變形特征主要與墻體幾何尺寸、有限的填土及水平加筋系統(tǒng)耦合作用有關(guān)。在監(jiān)測(cè)期間，由于此段路基位于一座未完工的大橋附近，此處治路段基本無(wú)車輛通行，因而變形規(guī)律與無(wú)車輛荷載情況類似。

圖3 墻體側(cè)向位移

4.2 豎向變形分析

圖4為不同車輛荷載附加荷載強(qiáng)度作用下，結(jié)構(gòu)及其影響區(qū)域的豎向變形云圖。由圖4可知，除基底附近區(qū)域有1～2 mm的略微隆起外，其余部位區(qū)域沉降值不大(大致在1～3 cm)。隨著荷載強(qiáng)度的增加，整個(gè)影響區(qū)域的豎向變形也相應(yīng)增大。顯著沉降區(qū)主要集中于路肩至墻頂范圍。

4.3 基底應(yīng)力分析

圖5為不同車輛荷載附加荷載強(qiáng)度作用下，基礎(chǔ)底面應(yīng)力分布情況。由圖5可知，不同的荷載條件下對(duì)基底應(yīng)力的影響有限?；讘?yīng)力最大不超過(guò)170 kPa，由此表明此種結(jié)構(gòu)較高擋土墻對(duì)基底地基承載力要求低，有利于外側(cè)臨空面的坡體整體穩(wěn)定?；讘?yīng)力在距離擋土墻基底外側(cè)3.5 m位置之前應(yīng)力增加較快，之后增加幅度較平緩(增加幅度一般不超過(guò)15 kPa)，這種應(yīng)力分布表明此新型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不同于柔性基礎(chǔ)和剛性基礎(chǔ)。這主要與墻體自身形狀及墻后增加水平加筋體系有重要關(guān)系。由此也說(shuō)明，本文所述新型擋土墻結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載能力要求不高，自穩(wěn)能力強(qiáng)，因而能適應(yīng)不均勻性地基，尤其適用于上述高陡邊坡路基。

(a)荷載0 kPa

圖5 基底應(yīng)力分布

4.4 應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

圖6為不同車輛荷載附加荷載強(qiáng)度條件下處治區(qū)域應(yīng)變?cè)隽吭茍D。由圖顯示，整個(gè)區(qū)域隨著荷載強(qiáng)度的增加，最大剪應(yīng)變?cè)隽肯蛴疑戏桨l(fā)展，并有愈發(fā)集中之趨勢(shì)。但潛在破壞面相對(duì)位置基本穩(wěn)定，并大致在0.3H分界線附近。隨之，水平加筋系統(tǒng)(尤其是土釘)應(yīng)變?cè)隽吭黾用黠@，總體朝著墻后填土方向發(fā)展。各層網(wǎng)面筋帶及土釘?shù)膽?yīng)變?cè)隽垦卦O(shè)置高度的增加而增大。其中，土釘在與網(wǎng)面筋帶銜接部位出現(xiàn)應(yīng)變?cè)隽考校译S著設(shè)置高度的增加，其值及影響范圍都在增加。這表明水平加筋系統(tǒng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中所起的作用不可或缺。同時(shí)，也顯示隨著荷載強(qiáng)度的不斷提高，邊坡整體穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備會(huì)降低。另外，墻趾處一直處于較高剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)域。

(a)荷載0 kPa

依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[16]關(guān)于車輛荷載附加荷載強(qiáng)度之規(guī)定，此次設(shè)計(jì)高度為9 m的擋土墻所對(duì)應(yīng)的車輛荷載附加荷載強(qiáng)度取值約為10 kPa。因此，本文所介紹的新型加筋格賓擋土墻能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新型加筋格賓擋土墻的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析研究，可獲得如下結(jié)論：

a.墻體變形實(shí)測(cè)值與理論分析值分布規(guī)律相似。變形總體呈“勺型”分布，墻體中下部變形小，主要分布在上部，最大變形部位約在5/6倍墻高位置。

b.隨著荷載強(qiáng)度的增加，影響區(qū)域的豎向變形也相應(yīng)增大。一般會(huì)在基底附近區(qū)域有略微隆起，其余區(qū)域有一定的沉降。顯著沉降區(qū)主要集中于路肩至墻頂范圍。

c.基底應(yīng)力分布不同于一般的柔性基礎(chǔ)及剛性基礎(chǔ)，此結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力要求低于重力式圬工擋土墻結(jié)構(gòu)?？傮w來(lái)說(shuō)，應(yīng)力呈曲線增加，墻趾處應(yīng)力低，墻踵部位應(yīng)力高。

d.隨著荷載強(qiáng)度的增加，影響區(qū)域剪應(yīng)變?cè)隽空w向右上方發(fā)展，并愈發(fā)集中。潛在滑動(dòng)面位置基本穩(wěn)定，并大致分布在0.3H分界線附近。

e.隨著荷載強(qiáng)度的增加，水平加筋系統(tǒng)的應(yīng)變?cè)隽棵黠@，總體朝著墻后填土方向發(fā)展。各層網(wǎng)面筋帶及土釘?shù)膽?yīng)變?cè)隽侩S著設(shè)置高度的增加而增大。且土釘在與網(wǎng)面筋帶銜接部位出現(xiàn)應(yīng)變?cè)隽考小?/p>

f.通過(guò)對(duì)易失穩(wěn)段所開(kāi)發(fā)的新型加筋擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行的數(shù)值模擬及后期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果分析表明，此新型結(jié)構(gòu)適用于地形較陡(尤其在開(kāi)挖難度大的巖石地基段)的地段。同時(shí)，也為此類路段的設(shè)計(jì)及施工提供參考。