生態袋加筋擋墻工作機理分析

孫建誠 ，李風立 （河北工業大學，天津 300401）

生態袋加筋擋墻工作機理分析

孫建誠 ，李風立 （河北工業大學，天津 300401）

由于生態袋擋墻結構具有很好的經濟性能和使用性能，近年來在工程實踐中倍受青睞，并具有了不少工程實際的經驗，但是其科學研究方面卻比較欠缺不能為工程實踐提供很好的理論依據。基于這種情況，為得到合理的生態袋加筋擋墻形式設計組裝室內生態袋加筋擋墻頂推實驗裝置，采用PlaxisV8專業版有限元軟件建立了生態袋加筋擋土墻模型并對模型進行了靜力加載數值模擬計算；對模型進行了靜力加載數值模擬，并研究了加筋土擋土墻在自重及荷載作用下的垂直應力、水平應力分布情況，以及對各層筋材軸力、墻面體水平位移進行了相關分析。

生態袋；加筋擋墻；有限元；力學性能

0 前言

生態袋加筋擋墻是一種新興起的支擋體系，它具有環保生態型和結構柔性的特性，因此在工程實際中得到認可和應用，但是在工程實施的過程中仍然是按照傳統加筋擋墻的理論進行指導實施的，這是因為生態袋加筋擋墻的理論研究還有所欠缺還不能真正的指導工程實踐。本文通過建立室內的頂推實驗裝置，對生態袋墻面體結構進行了受力分析與研究，得到了其墻面體在水平推力作用下所產生的形變特征與規律，這為生態袋擋墻設計理論的研究提供了參考的實驗數據，也為生態擋墻的施工技術體系提供了理論依據。

1 本構模型

本文中應用的是Plaxis巖土有限元計算程序，其對Mohr-Coulomb模型中的相關塑性理論導致的過高估計剪脹作用進行了合理的處理，Mohr-Coulomb模型本身就能夠得到較合理的計算結果Plaxis有限元程序中包含了Mohr-Coulomb模型所以Plaxis得到的結果更值得信賴。Mohr-Coulomb屈服準則在三維應力空間中是一個不連續函數，它在主應力空間中由6個屈服函數構成[1]。

Plaxis有限元軟件中的土工格柵單元的格柵材料是一種在縱向受力方面只可受拉不可受壓的，在橫向受力方面是不具有抗彎剛度的柔性材料。因此，可以認為土工格柵單元的本構關系是只能沿軸向變形的一維單元線彈性單元[2]。

2 墻面體水平位移分析

之所以叫做生態袋加筋擋墻是因為其外墻是由生態袋堆砌而成，因此其結構屬于柔性結構[4]，柔性結構在外力的作用下會產生相對較大的側向位移。加筋擋墻在不同荷載條件下的水平位移如圖1所示。

圖1 生態袋加筋擋墻墻面在不同荷載作用下的水平位移

由圖1可以得到：

在不受荷載的條件下，擋墻由于自重的作用已經具有了水平位移，可以看出1.5m處為分界點，以上趨于豎直狀態，以下出現位移。

水平位移隨著荷載的增大而增加，最大位移位置隨荷載的增加而沿墻體上移。

由圖可知，當載荷為120kN/m2時墻面出現最大位移，即墻體的水平位移有一個最大值，不是隨荷載線形增加的。

分析2m截面處的豎直位移增量的情況，可得150kN/m2荷載時較120kN/m2荷載時豎直位移增加明顯增加斜率變小，綜合水平位移的變化規律可知荷載由120kN/m2增至150kN/m2的過程是以豎直位移變化為主導的，豎直位移變大土體自然沉降變大使得土體背離墻面滑動，這也就是在加載120kN/m2時墻體的水平位移值到達最大值的原因。

由以上分析可知，荷載的增加使得墻面的水平位移增大，這很可能造成墻體的失穩從而影響擋墻的正常使用。

3 土壓力分析

生態袋加筋擋墻由于其結構上的特殊性，相比于普通的擋土墻，其受力特點和特征具有差異性和獨特性，土壓力的分布又直接影響結構穩定性計算的準確性，所以對擋墻進行土壓力分析是很有必要的。

為擋土墻墻后土體在不受荷載作用下的垂直應力等值線圖可以看出沿格柵長度方向垂直應力與長度為非線性關系，在墻體上部垂直應力呈現雙峰趨勢，在格柵末端及其他層面呈現單峰特征。加筋土部分土體的垂直應力分布在豎直方向上呈現非線性增長趨勢，在隨著遠離墻面板時非線性趨勢減弱其原因在于大的水平位移使垂直應力在一定的范圍內消散。

從擋墻在不受荷載的作用下水平應力的分布特點可得實際土壓力呈非線性分布且遠大于理論朗肯土壓力，在墻體下側出現波動這是由于擋墻的柔性特征改變了加筋結構土體水平應力的分布，生態袋側面方向上的變形使得水平應力消散，作用范圍可達墻面板后2.5m處。

圖2 工序3水平應力沿土工格柵方向的分布圖

由圖2可以看出，水平應力沿土工格柵方向的分布在距墻底6m的位置有逐漸增大的趨勢，在6.8m處有逐漸減小的趨勢，隨著距離的增加只在末端有明顯的減小其他地方呈現逐步平穩的趨勢，分析原因可知是生態袋側面方向上的變形使得水平應力消散，格柵末端應力銳減是加筋土體受墻后土體作用而產生傾覆力矩而導致的。

4 格柵軸力分析

如圖3、4為8.4m、8.8m層位在不同荷載作用下軸力變化的曲線。

由圖3可知：

①荷載的增加使得中間層位格柵軸力變化較大并且荷載增大導致軸力最大值遠離墻背。

②在不受荷載作用時軸力分布呈單峰曲線狀。當荷載由10kN增至50kN時呈雙峰分布，當荷載大于50kN時，又呈單峰分布。

③荷載的增加導致加筋筋材末端0.8m處出現軸力減小的現象，這是在荷載作用下使得墻后未加筋土體水平作用力較大，從而增大筋材末端軸力，當作用力減小時，筋材軸力也隨之減小。

圖3 8.4m處土工格柵

圖4 8.8m處土工格柵

由圖4可知，8.8m層位處在整個過程中軸力均呈單峰分布，并且軸力隨荷載增大而向格柵中部靠近，當荷載到達一定數值后又有背離墻被的趨勢。

5 結論

運用PLAXIS有限元軟件，建立生態袋加筋擋土墻模型，通過對結果的分析得到如下結論。

①隨著荷載的增加，墻面出現“鼓肚”現象，隨荷載加而發展，生態袋加筋土擋墻雖未發生整體失穩但擋土墻發生變形破壞。

②生態袋加筋擋墻因其墻面的柔性及允許較大的變形的特性，給墻后土體的土壓力分布情況帶來了很大的影響，擋墻墻后靠近墻面體的土體垂直應力和水平應力均發生減小，側向變形對應力消散作用的作用范圍為2.5m。

③墻高度方向分為上、中、下三部分，上、下兩部分加筋筋材軸力沿格柵長度向呈單峰分布，中間部分加筋筋材軸力沿格柵長度向呈雙峰分布，但隨著荷載的增加雙峰分布會向單峰分布變化，最后趨于一致。

[1]王瑋晶.土工格柵及生態袋在生態護坡中的應用[J].水利科技與經濟，2011，17(7)：97-98.

[2]陳華.土工格柵加筋土擋墻力學特性試驗研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2010.

[3]周世良，何光春，汪承志，等.臺階式加筋土擋墻模型試驗研究[J].巖土工程學報，2007，29(1)：152-156.

[4]但禮堂，史宏彥，張建龍.某河道護岸工程加筋土擋墻的原型觀測[J].建筑技術開發，2004，31(12)：39-41.

TU432

A

1007-7359（2016）06-0097-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.037