云桂鐵路典型加筋土擋墻工作性能研究

楊國(guó)濤

(中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844)

云桂鐵路典型加筋土擋墻工作性能研究

楊國(guó)濤

(中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844)

針對(duì)云桂(昆明—南寧)鐵路一典型整體面板返包式加筋土擋墻，建立概化分析模型，利用數(shù)值分析軟件，從墻體變形特征和格柵應(yīng)力分布規(guī)律2方面討論了加筋土擋墻的工作性能和工作機(jī)理。研究結(jié)果表明:填筑完成時(shí)墻體剛度相對(duì)較小，呈現(xiàn)“鼓脹式”變形模式，筋材底層格柵拉應(yīng)力較小，最大值發(fā)生在中下部，且筋帶最大拉應(yīng)力的連線即為加筋區(qū)的潛在破裂面，基本上呈線性分布;在施加面板后，格柵的最大應(yīng)力逐漸上移，在附加荷載作用下墻體位移繼續(xù)增大，且附加荷載對(duì)墻體上部位移影響較為明顯，對(duì)下部影響較小，其中最大位移增量發(fā)生在墻頂處;墻體填筑完成時(shí)沿填土表面沉降曲線出現(xiàn)了2個(gè)極值點(diǎn)，分別位于包裹碎石袋處以及加筋帶的末端。

云桂線;加筋土擋墻;數(shù)值分析;變形特征;應(yīng)力

我國(guó)正在進(jìn)行大規(guī)模的高速鐵路和高速公路建設(shè)。加筋土擋墻作為典型的柔性支擋結(jié)構(gòu)［1-3］，在公路建設(shè)中得到了大規(guī)模使用，但在高速鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用則甚少［4-8］。原因可能有以下2個(gè)方面:①目前針對(duì)加筋土擋墻的工作性能和工作機(jī)理的研究仍然不夠深入［9］;②高速鐵路對(duì)路基變形的要求比較嚴(yán)格［10］。為了揭示加筋土擋墻的工作性能和工作機(jī)理，本文選取云桂線的一處典型的整體面板返包式加筋土擋墻作為工點(diǎn)開展研究。

1　工程概況

所選工點(diǎn)的整體面板返包式加筋土擋墻見圖1，土工格柵見圖2，細(xì)部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1　整體面板返包式加筋土擋墻(單位:cm)

該擋墻的面板高度為7.5 m，頂部和底部寬度均為0.3 m。前側(cè)和背面面板坡度均為1∶0.1。面板材料為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，采用C40混凝土、HRB400鋼筋。面板重度為25 kN/m3，截面剛度為相同截面混凝土剛度的80%，其中預(yù)制塊的尺寸為2.0 m×1.2 m× 0.15 m。面板背面填料為砂礫石，重度22 kN/m3，內(nèi)摩擦角35°。土工格柵為高密度聚乙烯單向土工格柵，鋪設(shè)長(zhǎng)度8.0 m，鋪設(shè)豎向間隔0.3 m，鋪設(shè)層數(shù)為25層，土工格柵抗拉強(qiáng)度100 kN/m。鋼軌為60 kg/m，軌枕1 667根/km，基床表層填料重度23 kN/m3，道床坡度1∶1.75。

圖2　土工格柵

圖3　細(xì)部結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

2　計(jì)算模型

基于上述工程概況建立概化分析模型。擋墻的拉筋布置見圖4，整體面板返包式加筋土擋墻模型見圖5。計(jì)算參數(shù)見表1。模型的坡度為1∶0.1，面板寬0.3 m、長(zhǎng)1.0 m、高7.5 m。模型由地基、填料、土工格柵、連接件、面板構(gòu)成，可分別采用實(shí)體單元與結(jié)構(gòu)單元模擬。地基采用Elastic模型，設(shè)置較大模量，模擬剛性地基。填料模型采用傳統(tǒng)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則以及基于Duncan雙曲線模型的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。土工格柵采用Geogrid結(jié)構(gòu)單元模擬，可以抵抗薄膜荷載但不能抵抗彎曲荷載。面板采用實(shí)體單元建立，選用彈性模型。通過(guò)數(shù)值分析模擬填筑過(guò)程，步驟為:①建立地基;②鋪設(shè)第1層格柵;③填筑碎石及填料;④重復(fù)第①～③步，填筑25層;⑤建立面板，施加上部荷載。

圖4　擋墻的拉筋布置

圖5　整體面板返包式加筋土擋墻模型

表1　計(jì)算參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果

3.1墻體變形特征

為研究填筑完成和施加面板2種情況下墻體的變形特征，沿墻體面板自上而下選取25個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿模型橫斷面方向選取50個(gè)豎向沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。擋墻面板水平位移沿高度的分布見圖6，填土表面、路基面沉降橫向分布見圖7。

圖6　擋墻面板水平位移沿高度分布

綜合分析圖6和圖7可知:填筑完成時(shí)墻體剛度相對(duì)較小，水平呈現(xiàn)“鼓脹式”模式，最大位移發(fā)生在墻體下部，約為3.0 cm，相對(duì)較小，主要是由于格柵剛度相對(duì)較大且布置密集，對(duì)填土變形的約束能力較強(qiáng);施加面板后，在附加荷載作用下墻體水平位移繼續(xù)增大，且附加荷載對(duì)墻體上部位移影響較為明顯，對(duì)下部影響較小，最大位移增量發(fā)生在擋墻頂部，約為1.5 cm。對(duì)于填土表面、路基面來(lái)講，墻體填筑完成時(shí)沿填土表面沉降曲線出現(xiàn)了2個(gè)極值點(diǎn)，分別位于包裹碎石袋處以及加筋帶末端，前者沉降大于后者，同時(shí)加筋區(qū)內(nèi)部、外部的沉降均勻遞減。在附加荷載作用下，路基表面的最大沉降值發(fā)生在距面板水平距離＞3 m處，其值約為2.5 cm。

3.2格柵應(yīng)力狀態(tài)

為研究填筑完成和施加面板2種情況下格柵的應(yīng)力狀態(tài)，在第1，4，15，18，22，25層格柵沿格柵長(zhǎng)度方向均勻布設(shè)25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到的拉筋拉力分布見圖8。

圖7　填土表面、路基面沉降橫向分布

圖8　拉筋拉力分布

由圖8可知:在填筑完成時(shí)，格柵的最大拉應(yīng)力約為3.82 MPa，格柵拉力為7.64 kN/m，約為極限抗拉強(qiáng)度的7.64%。格柵界面彈簧全部處于非屈服狀態(tài)，表明格柵界面提供了足夠錨固抗拔力，未發(fā)生錨固不足、格柵拉出現(xiàn)象。在施加面板后，格柵最大拉應(yīng)力為5.76 MPa，格柵拉力為11.52 kN/m，約為極限抗拉強(qiáng)度的11.52%，表明正常工作狀態(tài)下格柵的抗拉強(qiáng)度利用率相對(duì)較低。與填筑完成情況相似，格柵與填料界面仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

格柵拉應(yīng)力沿筋長(zhǎng)分布見圖9。可知:在填筑完成后，筋材底層(第1層)格柵拉應(yīng)力較小，距離面板﹥1 m時(shí)拉力幾乎為0，原因?yàn)橥凉靶?yīng)以及基底約束的影響;格柵拉應(yīng)力最大值分布在第4層，且面板返包處格柵拉應(yīng)力最大并隨著與返包碎石的距離增大而減小;第15，18，22，25層格柵拉應(yīng)力呈現(xiàn)2個(gè)峰值，第2個(gè)峰值點(diǎn)隨著層數(shù)的增大逐漸遠(yuǎn)離返包碎石，其連線構(gòu)成加筋區(qū)潛在內(nèi)部破裂面，基本上呈線性分布。施加面板后的格柵應(yīng)力大于填筑完成時(shí)的格柵應(yīng)力，并且格柵最大拉應(yīng)力在上覆荷載作用下轉(zhuǎn)移到上部，但底層(第1層)格柵拉應(yīng)力仍然較大部分為0。與填筑完成時(shí)相比，同層格柵最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置有偏離墻體的趨勢(shì)。

圖9　格柵拉應(yīng)力沿筋長(zhǎng)分布

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)云桂鐵路一典型整體面板返包式加筋土擋墻，利用數(shù)值分析軟件，從墻體變形特征和格柵應(yīng)力分布規(guī)律2方面討論了加筋土擋墻的工作性能和工作機(jī)理。主要結(jié)論如下:

1)填筑完成時(shí)墻體剛度相對(duì)較小，水平位移呈現(xiàn)“鼓脹式”模式;在施加面板后，在附加荷載作用下墻體位移繼續(xù)增大，且附加荷載對(duì)墻體上部位移的影響較為明顯，對(duì)下部影響較小，最大位移增量發(fā)生在墻頂處。墻體填筑完成時(shí)沿填土表面沉降曲線出現(xiàn)2個(gè)極值點(diǎn)，分別位于包裹碎石袋處以及加筋帶末端。

2)在填筑完成后，筋材底層格柵拉應(yīng)力較小，最大值發(fā)生在中下部，且筋帶最大拉應(yīng)力的連線即為加筋區(qū)的潛在內(nèi)部破裂面，基本上呈線性分布。施加面板后格柵的最大應(yīng)力逐漸上移。

［1］張建經(jīng)，馮君，肖世國(guó)，等．支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44(3):321-326．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006．

［3］YANG C W，ZHANG J J，LIU F C，et al．Analysis on Two Typical Landslide Hazards Phenomenon in Wenchuan Earthquake by Field Investigations and Shaking Table Tests［J］．International Journal of Environmental Research and Public Health，2015，12(1):1-17．

［4］甘宜山．加筋土技術(shù)在重力式擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．基建優(yōu)化，2003，24(2):42-43．

［5］伍永勝．加筋土擋墻動(dòng)力特性及抗震設(shè)計(jì)方法研究［D］．長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2006．

［6］楊凱東．大窯灣高填土加筋土擋土墻設(shè)計(jì)及地基加固中若干問(wèn)題探討［D］．大連:大連理工大學(xué)，2003．

［7］李海光．新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［8］YANG C W，F(xiàn)ENG N，ZHANG J J，et al．Research on Timefrequency Analysis Method of Seismic Stability of Coveringlayer Type Slope Subjected to Complex Wave［J］．Environmental Earth Sciences，2015，74(6):1-14．

［9］楊長(zhǎng)衛(wèi)，張建經(jīng)，陳強(qiáng)，等．加筋重力式擋土墻抗震設(shè)計(jì)方法研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2015，48(8):1-9．

［10］中華人民共和國(guó)交通部．JTJ 004—1989公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，1989．

(責(zé)任審編 李付軍)

Research on W orking Performance of Typical Reinforced Earth Retaining W all Along Kunm img－Nanning Railway

YANG Guotao
(Department of Science and Technology，China Railway Corporation，Beijing 1008443，China)

According to one typical rein forced earth retaining wall with back wrapped whole panel in Kunming－Nanning railway，the generalize analysis model was established by using numerical analysis software and the working performance and working mechanism of rein forced earth retaining wall were discussed from two aspects which are the deformation characteristics of retaining wall and stress distribution of geogrid．The research results show that the stiffness of retaining wall is small when the filling work is finished and the deformation shows tympanites shape，the geogrid tensile stress of reinforcement material bottom is small and the maximum value is in themiddle and lower part of the rein forcement material，the maxim um tensile stress connection line of the rein forcement strip is the potential rupture surface of reinforcement region，which basically shows a linear distribution．The maximum stress of geogrid gradually moves up after the panel is app lied，the displacement of retaining wall gradually increases under the action of additional load，which has more influence on the upper displacement of the retaining wall and has less influence on the lower part，the maximum displacement increment appears at the top of retaining wall，and there are two extreme points along the settlement curve of the filling soil surface after filling work is finished，which are parcel gravel bag and the end of rein forcement strip．

Kunming－Nanning railway;Reinforced earth retaining wall;Numerical analysis;Deformation characteristic;Stress

TU758．12

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．23

1003-1995(2016)11-0088-04

2016-01-24;

2016-03-21

楊國(guó)濤(1977—)，男，博士研究生。