李鴻強,龍建輝，任俊姣，張吉寧

(1.太原理工大學 地球科學與工程學院，山西 太原 030024；2.山西省勘察設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030013；3.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002)

0 引 言

20世紀60年代法國工程師HENRI VIDAL[1]提出現(xiàn)代加筋土理論并成功在法國修建世界上第一座加筋土擋墻后，該技術(shù)引起了世界各國工程界、學術(shù)界的重視，其發(fā)展速度相當快，應(yīng)用范圍也日益廣泛。1988年之后，我國各行業(yè)相繼出版了土工合成材料應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)標準、規(guī)范和指南，對主要加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用等進行了規(guī)定和說明，對我國土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起到了積極的推動作用。加筋土擋墻作為一種柔性支擋結(jié)構(gòu)[2-3]，具有經(jīng)濟、節(jié)省場地面積、地基承載力要求低、抗震性能好等優(yōu)點。一直以來加筋土擋墻的應(yīng)用與研究以道路邊坡為主，近年隨著場地邊坡應(yīng)用的增多，一些學者開始了對筋土擋墻場地邊坡應(yīng)用的研究。PORTELINHA等[4]、YAZDANDOUST[5]、ALRKABY等[6]開展了一系列現(xiàn)場以及模型試驗，對加筋土擋墻的性狀進行了研究。劉曉明等[7]通過某紅砂巖地區(qū)加筋土擋墻凸形拐角段發(fā)生的面板鼓脹現(xiàn)象及變形量測結(jié)果，分析了凸角區(qū)鼓脹變形的原因。KI等[8]通過一系列模型試驗分析了加筋土擋墻的拐角段在不同彎曲截面下的水平位移。ZHANG等[9-11]基于極限平衡理論，分析了不同幾何參數(shù)和材料屬性下，拐角對三維斜坡穩(wěn)定性的影響；后利用變分原理導(dǎo)出的3D機制分析了斜坡凸形拐角的三維穩(wěn)定性；隨后，基于三維斜坡拐角的內(nèi)部穩(wěn)定性分析，開發(fā)了計算其所需強度和加固長度的分析程序。

然而國內(nèi)外關(guān)于加筋土擋墻拐角形式對拐角處變形特征影響的研究是有限的。為進一步掌握加筋土擋墻凸形拐角段的變形特性，筆者利用FLAC3D軟件，對一座高11.9 m的紅砂巖填土加筋土擋墻進行了數(shù)值模擬，分析了工程中常見的折角、圓角、直角3種拐角形式，并對鼓脹現(xiàn)象的成因進行了分析，將數(shù)值計算與現(xiàn)場鼓脹變形測量結(jié)果進行比較分析，對加筋土擋墻在拐角段的設(shè)計提出合理化建議。

1 工程概況

1.1 工程概況

紅砂巖地區(qū)某場地內(nèi)外高差7.00～16.00 m，其中K1+370～K1+730段因地表人工填土較厚且地基承載力不足，遂選用加筋土擋墻結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為擋土墻拐角段平面示意圖，其轉(zhuǎn)角為90°，長度6 m。該加筋土擋墻的面板采用厚度0.25 m的C25預(yù)制混凝土面板；筋帶采用CAT30020B型鋼塑復(fù)合拉筋帶，水平和豎向間距均為0.5 m；填料采用當?shù)丶t砂巖，規(guī)定距面板0.8 m范圍內(nèi)填料壓實度不小于90%，其余范圍內(nèi)壓實度不小于95%。

圖1 加筋土擋墻結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of reinforcement retaining wall

圖2 拐角段平面示意Fig.2 Plan of corner section

1.2 病害概況

2003年7月竣工后，逐漸發(fā)現(xiàn)擋墻有地表下沉、墻面鼓脹現(xiàn)象，鼓脹外觀如圖3所示。為解決該問題，2005年建設(shè)方對墻內(nèi)緊鄰擋土墻的地表進行了硬化，雖然此后下沉和膨脹速率有一定的緩解，但并沒有完全阻止病害的發(fā)展。到2010年，加筋土擋墻面板的鼓脹變形已經(jīng)明顯可見，同時發(fā)現(xiàn)面板頂部的圍墻基礎(chǔ)也向墻外傾斜。

圖3 加筋土擋墻鼓脹外觀[7]Fig.3 Bulging appearance of reinforced earth retaining wall[7]

1.3 病害分析與問題提出

圖4 加筋土擋墻受力分析Fig.4 Stress analysis of reinforced earth retaining wall

2 凸型拐角加筋土擋墻變形的數(shù)值分析

2.1 凸型拐角的幾何模型

通過FLAC3D有限差分軟件，按與原型加筋土擋墻1∶1的比例建立幾何模型，其幾何模型如圖5所示。模型沿X、Y軸方向截取的長度均為20 m，擋墻高度11.9 m，底部地基為1.5 m。凸形拐角處轉(zhuǎn)角為90°，分別以邊長(半徑)4.24 m，建立工程上常采用的折角、圓角、直角3種拐角形式(以下簡稱折角、圓角、直角)的加筋土擋墻。在模型底部固定其x、y和z軸方向的速度，面x=0固定其x軸方向的速度，面y=0固定其y軸方向的速度。

圖5 加筋土擋墻幾何模型Fig.5 Geometric model of reinforced retaining wall

通過zone單元建立地基、墻后填土的網(wǎng)格模型。采用FLAC3D系統(tǒng)自帶的Geogrid單元模擬加筋結(jié)構(gòu)，土工格柵長度為10 m，豎向間距0.5 m，共24層。面板采用Liner單元進行模擬，圖6為結(jié)構(gòu)單元幾何模型。

圖6 結(jié)構(gòu)單元幾何模型Fig.6 Geometric model of structural elements

地基和擋墻均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，擋土墻原型取當?shù)丶t砂巖為填料，面板為0.25 m厚的C25預(yù)制混凝土面板，根據(jù)相關(guān)資料[12-14]列出的參數(shù)取值范圍，進行了模型的參數(shù)取值。

詳細數(shù)值模型參數(shù)見表1—表3。軟件自有的Geogrid結(jié)構(gòu)單元采用CST殼有限單元，即能承受薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載，其可與實體單元發(fā)生直接的剪切摩擦作用，格柵法向的運動從屬于實體單元。Liner結(jié)構(gòu)單元能承受剪力及彎矩荷載，一方面不但能承受主方向的拉壓應(yīng)力，還能模擬其與土體直接的分離再接觸，另一方面能模擬其與土體之間的摩擦相互作用。

表1 數(shù)值模型參數(shù)Table 1 Material property for numerical model

表2 Geogrid單元數(shù)值模型參數(shù)Table 2 Geogrid numerical model parameters

表3 Liner單元數(shù)值模型參數(shù)Table 3 Liner numerical model parameters

2.2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.2.1 整體變形

圖7為3種拐角形式(折角、圓角、直角)的整體變形云圖，觀察發(fā)現(xiàn)集中變形區(qū)在擋墻的上部，且在拐角部位的變形明顯大于兩側(cè)直線段的變形。其中，圓角的最大變形達到了26.7 mm，直角最大變形為27.3 mm，折角最大變形為25.1 mm。

圖7 整體變形Fig.7 Contour of global deformation

2.2.2 豎向變形

圖8分別為3種拐角形式的豎向變形和切片云圖，切片的位置為拐角的角平分線。圓角的豎向變形達到了26.2 cm，直角為26.8 cm，折角為24.6 cm。豎向變形的集中變形區(qū)位置與整體變形的集中變形區(qū)位置一樣，都在擋墻的上部。對比豎向變形與整體變形，豎向變形不僅在變形量上與整體變形非常相近，而且他們的集中變形區(qū)域位置也相同，說明豎向變形對整體變形的發(fā)展影響很大。

圖8 豎向變形及切片F(xiàn)ig.8 Contour of vertical deformation and cutting planes

圖9為擋墻拐角段墻頂角平分線上的豎向變形，擋墻頂面的豎向變形呈“L”形，分析認為是由于面板與土工格柵的鏈接作用，使得面板附近的土體在豎向變形上受到了限制。該限制力隨著土體與面板距離的增加逐漸減弱，豎向變形開始顯著增大。可以看到，圓角的豎向變形在遠離面板方向發(fā)展速度最快，最先于距面板2.9 m的位置達到豎向最大變形，折角次之，于4.8 m位置達到豎向最大變形，直角發(fā)展最慢，于6.2 m位置達到豎向最大變形。

圖9 豎向變形Fig.9 Vertical deformation

2.2.3 水平變形

圖10分別為3種拐角形式的水平變形和切片云圖，對比拐角段和兩側(cè)直線段，3種形式在其拐角段的1/4～2/3區(qū)域都呈現(xiàn)鼓脹變形[15]，另外，在拐角段的頂部，3種形式的面板都有一定程度的外傾[16]，這與現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的面板頂部的圍墻基礎(chǔ)向墻外傾斜的情況相吻合。折角的最大水平變形為7.49 cm，圓角的最大水平變形為7.66 cm，直角的最大水平變形為7.75 cm。

圖10 水平變形及切片云圖Fig.10 Contour of horizontal deformation and cutting planes

圖11為拐角段切片上面板沿墻高的水平變形。3種形式擋墻水平變形規(guī)律相同，在5 m墻高的位置達到最大鼓脹變形，在面板頂部的位置達到最大外傾變形。

圖11 水平變形Fig.11 Horizontal deformation

2.2.4 鼓脹區(qū)域

圖12為5 m高處面板的水平變形，可以看到從兩側(cè)直線段過渡到拐角段對稱中心的時候，水平變形逐漸增大，其中折角在兩個轉(zhuǎn)折的地方有相同的峰值，圓角和直角都只在中心線上有峰值。對比3條曲線發(fā)現(xiàn)，從過渡段開始直角的水平變形一直小于另外2種形式，但是在接近中心線時，直角的水平變形迅速增大并超過了另外2種形式。這說明直角不利于應(yīng)力擴散，使應(yīng)力應(yīng)變更加集中在拐角中心線附近，參與協(xié)調(diào)變形的區(qū)域更小，圖9中的鼓脹區(qū)大小直觀地體現(xiàn)了這一特征，直角的鼓脹區(qū)域面積明顯小于其他2種形式，這是直角的水平變形大于另外2種形式的原因。折角分別在2個轉(zhuǎn)折的地方有相同的峰值，可以認為折角是2個“直角”的結(jié)合，在2個轉(zhuǎn)折的地方，水平變形迅速增大并達到峰值。折角的鼓脹區(qū)面積最大，分析認為是2個折角為應(yīng)力應(yīng)變擴散提供了良好的條件，這使得其最大變形小于圓角。

圖12 5 m高處水平變形Fig.12 Horizontal deformation at height of 5 m

3 變形監(jiān)測

加筋土擋墻凸形拐角段鼓脹最為顯著,經(jīng)測量，距離墻頂3 m處的墻身鼓脹量約9 cm，兩側(cè)由拐角段向直線段過渡的過渡段也各有4 m范圍對稱鼓脹,凸角兩側(cè)4 m以外段落的鼓脹已經(jīng)不明顯。即擋墻變形有以下特征：①面板中部有鼓脹變形，且鼓脹區(qū)域向兩側(cè)直線段延伸4 m；②面板頂部的圍墻基礎(chǔ)向墻外傾斜；③擋墻頂部地表在面板附近下沉嚴重。圖13為水平變形的模擬結(jié)果與測量數(shù)據(jù)，圖14為擋墻的變形特征，說明用數(shù)值模型計算加筋土擋墻凸形拐角部位的變形特征是可行的。

圖13 水平變形Fig.13 Horizontal deformation

圖14 變形特征Fig.14 Deformation feature

4 結(jié) 論

1)數(shù)值模型計算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果吻合較好。加筋土擋墻的變形集中在擋墻上部,其中豎向變形對整體變形的發(fā)展影響很大。3種拐角形式的最大豎向變形位置離面板的距離不同，圓角距離最近，折角居中，直角距離最遠。

2)在拐角段墻高的1/4～2/3段為鼓脹區(qū)，墻頂為外傾區(qū)。

3)在整體變形以及水平變形方面，尤其是在對面板形態(tài)有重要影響的水平變形上，因折角形式的結(jié)構(gòu)特征使得其在應(yīng)力應(yīng)變的擴散上更具優(yōu)勢，從而具有3種形式中最小的最大變形值，即折角在控制變形方面較其他2種形式有更好的優(yōu)勢，建議在工程設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先使用。