林展展 陳寶林 黃 陳

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

加筋土支擋結(jié)構(gòu)作為土工加筋技術(shù)運(yùn)用于工程實(shí)踐的一種主要模式,較傳統(tǒng)重力式支擋結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、圬工少、占地少、適用范圍廣、作業(yè)效率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著1965年在法國(guó)建立起世界上第一座加筋土擋墻以來(lái),加筋土擋墻就以其良好的經(jīng)濟(jì)效益在各國(guó)競(jìng)相發(fā)展起來(lái)[3]。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開始對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行研究并取得豐碩成果[4-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)已經(jīng)建成加筋土擋墻上千余座,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、市政、煤礦等行業(yè)[6-7]。加筋土擋墻主要由筋材、面板和填料構(gòu)成,通過(guò)埋設(shè)高抗拉強(qiáng)度的筋材,達(dá)到增強(qiáng)土體強(qiáng)度的效果[8]。隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的提高,對(duì)加筋土擋墻各方面的理論研究愈發(fā)顯得急迫和重要,例如加筋筋材末端加設(shè)錨定板對(duì)加筋土擋墻各方面力學(xué)性能的影響,加設(shè)錨定板帶來(lái)何種錨固效應(yīng),其錨固性能的發(fā)揮程度如何等方面的內(nèi)容仍需要進(jìn)一步的研究。

介于在加筋體筋材末端加設(shè)錨定板的相關(guān)研究較少,本文以某返包式加筋土擋墻為原型,通過(guò)有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析,探討錨板的加設(shè)對(duì)加筋土擋墻各方面性能的影響,從而得到錨定板的錨固效應(yīng)。

1 工程概況

本文以某高速公路路基返包式加筋土擋墻作為計(jì)算原型,該擋墻由地基、面板、包裹碎石、填料、土工格柵和錨定板構(gòu)成,錨定板設(shè)置于土工格柵末端。其中,面板高度為6.0 m、寬度為0.3 m,擋墻坡度為1∶0.1,背面坡度為1∶1.5。面板材料為現(xiàn)澆鋼筋混凝土,其中混凝土強(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,重度23 kN/m3,內(nèi)摩擦角35°,碎石重度23 kN/m3,內(nèi)摩擦角為35°。土工格柵為高密度聚乙烯單向土工格柵,鋪設(shè)長(zhǎng)度6.0 m,鋪設(shè)豎向間隔0.3 m,鋪設(shè)總層數(shù)為20層,土工格柵極限抗拉強(qiáng)度100 kN/m。該返包式加筋土擋墻示意見圖1。

圖1 返包式加筋土擋墻(尺寸單位:m)

2 數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型建立

介于地基和包裹碎石剛度較大,在數(shù)值模擬中將其本構(gòu)模型選用為線彈性模型,而土體本構(gòu)模型選用彈塑性Mohr-Coulomb模型。模型建立完成網(wǎng)格圖見圖2,其中藍(lán)色部分是包裹碎石,紅色部分是土工格柵。

圖2 返包式加筋土擋墻網(wǎng)格圖

模型中土工格柵采用FLAC3D中的結(jié)構(gòu)單元geogrid進(jìn)行模擬,由于geogrid單元只能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載,所以在本次模擬中通過(guò)讓geogrid與土單元網(wǎng)格直接發(fā)生剪切摩擦作用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自身加筋性能模擬。錨板采用pile結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。考慮到geogrid本身不能承擔(dān)且不能傳遞彎矩,數(shù)值模擬設(shè)置中對(duì)pile與geogrid通過(guò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)鉸接的形式進(jìn)行連接。碎石返包采用碎石單元與填料單元設(shè)立interface接觸面,從而模擬相應(yīng)接觸面的摩擦與剪切效應(yīng)。其中面板與填料之間的接觸面力學(xué)參數(shù)法向剛度為1×108N/m,切向剛度為4×106N/m,內(nèi)摩擦角為25°。

2.2 參數(shù)確定

模型中重要的結(jié)構(gòu)單元包括填料、面板、地基和土工格柵,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試及相關(guān)資料調(diào)研[9-10],模型各結(jié)構(gòu)單元的基本參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)單元基本參數(shù)

2.3 建模流程

為對(duì)比分析筋材末端錨板的性能,數(shù)值模擬中分別就加錨板及未加錨板2種情況進(jìn)行建模計(jì)算,并就影響錨板性能的因素,如土工格柵長(zhǎng)度、土工格柵間距,以及填料摩擦角等因素討論其對(duì)錨板性能的影響。

模型的建立步驟包括:①地基初始應(yīng)力平衡;②對(duì)每一層格柵返包加設(shè)錨板并填土;③分層填筑并計(jì)算至20層完成;④激活面板,并以換算的均布荷載60.8 kPa作為上部路基、路面、車輛荷載施加于頂層填土上。⑤計(jì)算完成后通過(guò)編輯Fish語(yǔ)言對(duì)加筋土擋墻相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。模型填筑完成后見圖3。

圖3 返包式加筋土擋墻填筑完成圖

3 結(jié)果分析

3.1 不同格柵長(zhǎng)度下錨定板對(duì)擋墻的影響

3.1.1對(duì)面板水平位移的影響

格柵長(zhǎng)度主要分為3,4,5,6 m 4種工況,填料內(nèi)摩擦角的范圍為16°～35°之間,不同格柵長(zhǎng)度下有無(wú)錨定板對(duì)擋墻面板水平位移的影響見圖4。該部分工況均控制格柵間距為0.3 m。

圖4 面板水平位移隨填料內(nèi)摩擦角變化曲線

由圖4可見,同一格柵長(zhǎng)度下存在錨定板時(shí)的面板水平位移均小于未設(shè)置錨定板時(shí)的水平位移,表明錨定板對(duì)控制加筋土擋墻面板水平位移存在一定的抑制作用。同一格柵長(zhǎng)度下,隨著填料內(nèi)摩擦角的增大,錨定板對(duì)面板水平位移的作用效果不斷減弱,有無(wú)錨板時(shí)的水平位移不斷趨于相同,可見當(dāng)填料內(nèi)摩擦角減小時(shí)更有利于錨板發(fā)揮其錨固作用。當(dāng)格柵長(zhǎng)度為6 m時(shí),當(dāng)填料內(nèi)摩擦角小于18°時(shí),錨板的作用效果表現(xiàn)較為明顯,在16°時(shí)錨板的存在使得面板水平位移減小約4 cm,當(dāng)摩擦角繼續(xù)降低時(shí),擋墻發(fā)生整體破環(huán)。而當(dāng)格柵長(zhǎng)度分別為5,4,3 m時(shí),當(dāng)填料內(nèi)摩擦角分別小于20°,25°和30°時(shí),錨板的作用效果表現(xiàn)較為顯著。

為研究在不同筋長(zhǎng)下錨板的加固效果隨摩擦角的變化規(guī)律,定義相同摩擦角下,錨固相對(duì)位移(有無(wú)錨定板時(shí)面板水平位移差值)與未加錨定板的墻體位移的比值為加固系數(shù),即

式中:k為加固系數(shù);l0為未設(shè)錨板時(shí)面板位移,cm;l1為設(shè)置錨板時(shí)面板位移,cm。

圖5為不同格柵長(zhǎng)度時(shí)加固系數(shù)隨填料內(nèi)摩擦角變化曲線。

由圖5可見,不同格柵長(zhǎng)度時(shí),加固系數(shù)均隨填料內(nèi)摩擦角的增大而減小,最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)加固系數(shù)相同時(shí),格柵長(zhǎng)度越大所對(duì)應(yīng)的填料內(nèi)摩擦角越小;而同一填料內(nèi)摩擦角時(shí),格柵長(zhǎng)度越大所對(duì)應(yīng)的加固系數(shù)越小。在一定范圍內(nèi),格柵長(zhǎng)度越大,填料內(nèi)摩擦角越大,對(duì)約束加筋土擋墻面板水平位移效果越顯著,而錨定板的增設(shè)其功能主要發(fā)揮在當(dāng)填料內(nèi)摩擦角較小時(shí)。

格柵長(zhǎng)度在6,5,4,3 m時(shí),加固系數(shù)發(fā)生陡增時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦角分別為18°,20°,25°,30°,相應(yīng)格柵長(zhǎng)度下?lián)鯄Φ钠骗h(huán)摩擦角分別為15°,16°,18°,20°。通過(guò)比較加固系數(shù)陡增點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的摩擦角度數(shù)及相應(yīng)格柵長(zhǎng)度下?lián)鯄ζ茐牡哪Σ两嵌葦?shù)可得:在該擋墻高度下,筋長(zhǎng)6 m和5 m時(shí)的擋墻由于筋材較長(zhǎng),自身錨固抗拔力較大,設(shè)置錨板后加固性能發(fā)揮有限;而筋長(zhǎng)為3 m的擋墻由于筋長(zhǎng)較短,墻體的整體破壞先于錨板錨固作用力的發(fā)揮,使其錨固作用發(fā)揮有限;當(dāng)筋長(zhǎng)長(zhǎng)度為4 m時(shí)擋墻相對(duì)其他筋長(zhǎng),錨板的錨固性能在摩擦角降低時(shí)更能充分發(fā)揮。

3.1.2對(duì)格柵應(yīng)力的影響

為研究界面力學(xué)狀態(tài),現(xiàn)對(duì)土工格柵拉力隨填料內(nèi)摩擦角的變化進(jìn)行分析,結(jié)果見圖6。由圖6可知,不同格柵長(zhǎng)度下格柵最大拉應(yīng)力均隨著填料內(nèi)摩擦角的增大而減小;同一填料內(nèi)摩擦角下格柵最大拉應(yīng)力隨著筋長(zhǎng)的增大而減小;不同格柵長(zhǎng)度時(shí)總體呈現(xiàn)出有錨板時(shí)格柵的拉應(yīng)力小于無(wú)錨板時(shí)拉應(yīng)力的趨勢(shì),但兩者差值較小。格柵的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在筋長(zhǎng)6 m,填料摩擦角16°時(shí),其值約為20 MPa。當(dāng)格柵長(zhǎng)度為4 m時(shí),其格柵最大拉應(yīng)力極大值大于格柵長(zhǎng)度為3 m和5 m時(shí),表明在此擋墻高度下鋪設(shè)4 m長(zhǎng)度的土工格柵更有利于發(fā)揮格柵拉力的使用率。

圖6 格柵應(yīng)力隨內(nèi)摩擦角變化曲線

3.2 不同格柵間距下錨定板對(duì)擋墻的影響

為探討不同格柵間距時(shí),有、無(wú)錨定板對(duì)返包式加筋土擋墻性能影響,在土工格柵長(zhǎng)度為6 m條件下進(jìn)行分析,分析內(nèi)容主要為面板水平位移及格柵最大拉應(yīng)力。

3.2.1對(duì)面板水平位移的影響

當(dāng)土工格柵間距分別為0.3,0.6,1.2 m時(shí),有、無(wú)錨定板條件對(duì)加筋土擋墻面板水平位移影響見圖7。

圖7 不同格柵間距下錨板對(duì)水平位移影響示意圖

由圖7可知,面板水平位移均隨填料內(nèi)摩擦角的增大而減小。當(dāng)格柵豎向間距為0.3 m時(shí),如前所述,錨板的增設(shè)幾乎未影響原有結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能;格柵豎向間距0.6 m,摩擦角大于20°時(shí),錨板的設(shè)置幾乎不影響面板的水平位移,當(dāng)填料摩擦角小于20°時(shí),錨板的設(shè)置與否對(duì)面板水平位移的影響開始逐步顯現(xiàn),其中當(dāng)填料摩擦角降為16°時(shí),有無(wú)設(shè)置錨板對(duì)應(yīng)的墻面水平位移差約40 cm,當(dāng)格柵豎向間距1.2 m時(shí),錨板的設(shè)置與否對(duì)擋墻水平位移的影響不明顯。由此可知,錨板的設(shè)置對(duì)格柵豎向間距為0.3,1.2 m的面板水平位移幾乎沒有改善,而對(duì)間距0.6 m面板在摩擦角小于20°時(shí)的面板水平位移降低效果顯著。但在上述3種間距下,錨板的設(shè)置均未增大墻體最終破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的摩擦角。

3種格柵豎向間距下,加固系數(shù)隨摩擦角的變化規(guī)律見圖8。

圖8 不同格柵間距下加固系數(shù)隨摩擦角變化

由圖8可知,當(dāng)格柵間距為0.3 m和0.6 m時(shí)加固系數(shù)隨著摩擦角的減小呈先緩慢增加、后陡增趨勢(shì)。格柵間距0.3 m和0.6 m情況下加固系數(shù)陡增點(diǎn)對(duì)應(yīng)摩擦角分別為18°,20°。間距1.2 m時(shí)加固系數(shù)幾乎不變。由此可見錨板的增設(shè)在填料內(nèi)摩擦角較小且格柵間距較小時(shí)對(duì)擋墻穩(wěn)定性有一定的效果,而當(dāng)格柵間距為0.6 m時(shí)改善效果更為顯著。

3.2.2對(duì)格柵應(yīng)力的影響

不同格柵豎向間距下格柵拉力隨摩擦角變化的規(guī)律見圖9。

圖9 格柵最大拉應(yīng)力隨摩擦角變化

由圖9可知,格柵最大拉應(yīng)力隨填料內(nèi)摩擦角的減小而增大,隨筋材豎向間距的增大而增大,且總體呈現(xiàn)加設(shè)錨板時(shí)的格柵拉應(yīng)力小于不加設(shè)錨板的趨勢(shì)。格柵的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在格柵豎向間距0.6 m,填料內(nèi)摩擦角16°時(shí),其值約為33 MPa,即格柵拉力為66 kN/m,約為格柵極限抗拉強(qiáng)度的66%,相較于其他間距布置的擋墻,間距0.6 m的格柵布置,格柵拉力的發(fā)揮率更高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)錨定板的增設(shè)對(duì)返包式加筋土擋墻的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究,主要探究了土工格柵長(zhǎng)度、間距及填料內(nèi)摩擦角等參量對(duì)擋墻面板水平位移、加固系數(shù)和格柵最大拉應(yīng)力的影響,得到主要結(jié)論如下。

1) 錨定板的增設(shè)有利于減小面板的水平位移,增大加筋土擋墻的穩(wěn)定性,但該有益效果隨填料內(nèi)摩擦角的增大不斷減小。當(dāng)格柵長(zhǎng)度分別為6,5,4,3 m時(shí),對(duì)應(yīng)填料內(nèi)摩擦角分別小于18°,20°,25°,30°時(shí),錨板的作用效果較為顯著。

2) 當(dāng)格柵長(zhǎng)度為6,5 m時(shí),由于筋材長(zhǎng)度較大,自身錨固抗拔力較大,設(shè)置錨板后加固性能發(fā)揮有限;筋長(zhǎng)為3 m的擋墻由于筋長(zhǎng)較短,墻體的整體破壞先于錨板錨固作用力的發(fā)揮,使其錨固作用發(fā)揮有限;而筋長(zhǎng)為4 m時(shí)錨板的錨固性能發(fā)揮更為充分。

3) 通過(guò)不同格柵間距條件下錨板的設(shè)置對(duì)擋墻性能影響可知,格柵豎向間距為0.3,1.2 m時(shí)面板水平位移及格柵最大拉應(yīng)力改善有限,格柵間距為0.6 m時(shí),錨板的增設(shè)在填料內(nèi)摩擦角較小時(shí)對(duì)擋墻穩(wěn)定性具有較好的改善效果。