GRS擋土墻的變形研究

李鵬飛，江文凌，吳雪城

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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GRS擋土墻的變形研究

李鵬飛，江文凌，吳雪城

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

GRS具有更好的延展性和柔韌性，整體穩(wěn)定性好，抗震性能優(yōu)越。文章采用數(shù)值分析方法，對GRS擋土墻的變形進行研究，得到GRS擋土墻的變形特性。

GRS；擋土墻；數(shù)值分析；變形

0　引言

傳統(tǒng)的加筋土擋土墻是從早期的鋼帶等加筋土擋土墻發(fā)展而來，其本質(zhì)上是機械力學穩(wěn)定土(Mechanically Stabilized Earth，MSE)，它遵循的是重力式擋土墻的設計理念，墻體面板要承受按照庫侖理論或朗肯理論計算得來的土壓力。

傳統(tǒng)的設計方法決定了加筋土支擋結(jié)構(gòu)需要使用沉重的面板、強度很高和較長的加筋材料來增強對側(cè)向土壓力的抵抗作用[1]。工程實踐表明[2]，傳統(tǒng)加筋土擋土墻的加筋間距較大，未能充分發(fā)揮加筋材料對土體的約束作用，容易出現(xiàn)側(cè)向變形引起的面板失穩(wěn)、面板處加筋材料應力集中、變形不協(xié)調(diào)、需要較長的筋材長度等問題。

介于傳統(tǒng)加筋土結(jié)構(gòu)MSE存在的諸多弊端，國外學者提出了小間距加筋土(Geosynthetic Reinforced Soil，GRS)。本文所說的小間距加筋土，是指加筋材料間距<0.3 m的一種加筋土技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以區(qū)別于傳統(tǒng)的加筋土技術(shù)(Mechanically Stabilized Earth，MSE)，用以強調(diào)加筋材料對土體的約束作用；在外荷載作用下，GRS表現(xiàn)出類似于連續(xù)固體復合體介質(zhì)的力學特性[3]。初步調(diào)研成果表明[2，3]，GRS具有更好的延展性和柔韌性[4]，整體穩(wěn)定性好，抗震性能優(yōu)越[5]。當填料為級配良好的粒料土，并在充分壓實的情況下，小間距土工合成材料加筋土體可以形成穩(wěn)定的直立結(jié)構(gòu)，不需要面板支撐(為了便于施工，輕型砌塊面板與加筋材料的連接僅為摩擦連接)，其高度能夠達到數(shù)十米，甚至能夠做成倒錐形的支擋體。

加筋土結(jié)構(gòu)在實際工程中得到了廣泛應用，但國內(nèi)對加筋土結(jié)構(gòu)的認識與研究主要集中在傳統(tǒng)的機械力學穩(wěn)定土結(jié)構(gòu)MSE上，對小間距加筋土GRS的研究相對較少。本文采用數(shù)值分析的方法，對GRS擋土墻的變形進行研究，得到GRS擋土墻的變形特性。

1　有限元計算模型

本文運用有限元通用計算軟件PLAXIS 2D建立傳統(tǒng)加筋土擋土墻模型與GRS擋土墻模型，通過對GRS擋土墻的變形進行研究，得到GRS擋土墻的變形特性。PLAXIS 2D是一套理論基礎(chǔ)堅實、邏輯性強、界面友好、便于使用、并且適用于大多數(shù)巖土工程領(lǐng)域的二維有限元分析軟件。PLAXIS 2D中有多種土體本構(gòu)模型可供選擇，加筋土中的加筋材料可通過土工格柵單元進行模擬，面板采用實體單元模擬，通過界面單元模擬筋-土之間、加筋-面板之間的相互作用。

1.1幾何模型

模型地基寬15 m、高5 m，擋土墻高6 m。在傳統(tǒng)加筋土擋土墻中，加筋間距Sv為0.6 m，加筋長度L為0.7 H，即4.2 m，如圖1所示；在GRS擋土墻中，加筋間距Sv為0.2 m，加筋長度L為0.3 H，即1.8 m，如圖2所示。

1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件

PLAXIS 2D能夠進行非結(jié)構(gòu)化的平面有限元網(wǎng)格的自動生成，其中有15節(jié)點和6節(jié)點平面單元可供選擇，為提高計算精度，本文選用15節(jié)點平面單元的網(wǎng)格形式。模型的底部采用剛性邊界，右側(cè)采用水平約束，頂部及擋土墻左側(cè)為自由邊界，左側(cè)下部為水平約束。模型的網(wǎng)格劃分與邊界條件如圖3～4所示。

圖1　傳統(tǒng)加筋土擋土墻模型幾何尺寸圖

圖2　GRS擋土墻模型幾何尺寸圖

圖3　傳統(tǒng)加筋土擋土墻網(wǎng)格劃分與邊界條件示意圖

圖4　GRS擋土墻網(wǎng)格劃分與邊界條件示意圖

1.3計算參數(shù)

在數(shù)值計算中，地基與填土單元的本構(gòu)模型均采用摩爾庫倫模型；土工格柵單元采用線彈性模型；模塊式面板采用的是0.2 m×0.2 m×0.5 m的C25混凝土面板，長度為0.5 m，高度和寬度為0.2 m，采用實體單元進行模擬，材料的本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)模型。具體的計算參數(shù)見表1。

表1　各種材料具體的計算參數(shù)表

土工格柵軸向剛度EA=200 kN/m，壓實荷載為20 kPa。傳統(tǒng)加筋土擋土墻與GRS擋土墻中土工格柵與土體之間設置界面單元，根據(jù)PLAXIS程序和相關(guān)資料的推薦，土工格柵與土體之間界面單元參數(shù)Rinter=0.67。

在傳統(tǒng)加筋土擋土墻中，土工格柵與面板為固定連接，不設置界面單元；在GRS擋土墻中，土工格柵與面板之間為摩擦連接，設置界面單元進行模擬，根據(jù)PLAXIS程序和相關(guān)資料的推薦，界面單元參數(shù)Rinter=0.8。

1.4施工過程模擬

利用計算程序中的“生死”單元法對加筋土逐層填筑、荷載逐級施加的過程進行模擬。

2　計算結(jié)果與分析

2.1總體變形分析

通過數(shù)值計算，得到傳統(tǒng)加筋土擋土墻與GRS擋土墻的總體變形云圖，分別如圖5～6所示。

圖5　傳統(tǒng)加筋土擋土墻總體變形云圖

通過計算，得到傳統(tǒng)加筋土擋土墻中總體變形最大值為31.65 mm，GRS擋土墻中總體變形最大值為24.25 mm，相比傳統(tǒng)加筋土擋土墻，GRS擋土墻總體變形最大值要小23.4%。同時，由圖5～6可以看出，在傳統(tǒng)加筋土擋土墻中，墻體面板處的變形普遍都較大，而且最大變形發(fā)生在墻體上部面板處，而在GRS擋土墻中，墻體面板處的變形都較小，最大變形發(fā)生在加筋材料末端的上部區(qū)域。

圖6　GRS擋土墻總體變形云圖

2.2側(cè)向變形分析

通過數(shù)值計算，得到傳統(tǒng)加筋土擋土墻與GRS擋土墻的側(cè)向變形云圖，分別如圖7、圖8所示。

圖7　傳統(tǒng)加筋土擋土墻側(cè)向變形云圖

圖8　GRS擋土墻側(cè)向變形云圖

通過計算，傳統(tǒng)加筋土擋土墻中側(cè)向變形最大值為27.42 mm，GRS擋土墻中側(cè)向變形最大值為11.50 mm，相比傳統(tǒng)加筋土擋土墻，GRS擋土墻側(cè)向變形最大值要小58.1%。同時，由圖7、圖8可以看出，GRS擋土墻面板處的側(cè)向變形要遠小于傳統(tǒng)加筋土擋土墻面板處的側(cè)向變形，并且在傳統(tǒng)加筋土擋土墻中，從下到上所有面板處的側(cè)向變形都很大，而在GRS擋土墻中，只有頂部幾層面板處的側(cè)向變形較大，下部面板處的側(cè)向變形很小。

3　結(jié)語

(1)綜上所述，相比傳統(tǒng)加筋土擋土墻，GRS擋土墻中總體變形最大值減小23.4%，側(cè)向變形最大值減小58.1%，GRS擋土墻對側(cè)向變形的約束作用更大。傳統(tǒng)加筋土擋土墻的變形主要集中在面板處，而在GRS擋土墻中，面板處的變形很小。

(2)與傳統(tǒng)加筋土擋土墻相比，GRS擋土墻中由于筋-土界面作用突出，加筋材料與土體能形成筋-土復合體抵抗變形，能有效地抑制擋土墻的變形，特別是對側(cè)向變形的抑制作用，使GRS擋土墻的側(cè)向變形與面板處變形大大減小，提升GRS擋土墻的整體穩(wěn)定性能。

[1]JTJ051-91，加筋土工程設計規(guī)范[S].

[2]Barrett R K，Ruekman A C.GRS-A new era in reinforced soil technology[C].Geosthetics in Reinforeement and Hydraulie Applications：ASCE，2007：153-164.

[3]ADAMS M T，SCHLATTER W，TABILE T.Geosynthetic Reinforced soil Integrated Abutments at the Bowman Road Bridge in Defiance County，Ohio[C].Geosynthetics in Reinforcement and Hydraulic Applications：ASCE Geotechnical Special Publication No·165·Denver，Colorado，USA：ASCE，2007：119-129.

[4]HU Youchang，SONG Hai，ZHAO Zhengjun.Experimental Study on Behavior of Geotextile-reinforced Soil[C].CriticalIssues in Transportation Systems Planning，Development，and Management(Proceedings of 9th International Conference of Chinese Transportation Professionals)，Harbin，China：ASCE，2009：2393-2402.

[5]Wu J T H，Lee K Z Z，Pham T.Allowable Bearing Pressures of Bridge sills on GRS Abutments with Flexible Facing[C].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering：ASCE，2006：830-841.

Study on Deformation of GRS Retaining Wall

LI Peng-fei，JIANG Wen-ling，WU Xue-cheng

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

GRS has better ductility and flexibility，good overall stability，and excellent seismic perform-ance.By using the numerical analysis method，this article studied the deformation of GRS retaining wall，and obtained the deformation characteristics of GRS retaining wall.

GRS；Retaining wall；Numerical analysis；Deformation

2016-04-06

U417.1+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.008

1673-4874(2016)06-0027-03

李鵬飛(1989—)，助理工程師，碩士，主要從事道路工程設計及咨詢工作；

江文凌(1988—)，助理工程師，主要從事道路工程設計及咨詢工作；

吳雪城(1983—)，工程師，主要從事橋梁設計、景觀綠化設計、造價咨詢工作。