加筋擋土墻的極限高度探討

張俊騰 楊祁 陳福全

(1.福建農業職業技術學院 福建福州 350119； 2.福州大學 福建福州 350116)

0 引言

加筋擋土墻相對傳統的擋土墻，具有造價低、施工速度快等特點，特別是返包式加筋擋土墻還能在墻面進行種植綠化，因此得到了廣泛的應用。我國地域遼闊很多地區是軟土地質。軟土地質地基承載力較低，若在該地區建造加筋擋土墻則不得不面臨擋土墻到底能建多高的問題。吳雄志、史三元等[1]分析了加筋擋土墻的內部穩定性，并給出了上限解。楊雪強[2]推導了針對條狀加筋體的加筋擋土墻滿足穩定性的上限解，但該解應用于土工格柵和土工織物滿鋪式的加筋體則不盡人意。Radoslaw L.M[3]針對無粘性加筋擋土墻采用極限法分析了穩定性。總的來說，加筋擋土墻臨界高度的理論有3種：傳統塑性理論[4]、廣義塑性理論[5]和有限元法[6]。國內外采用這些理論分析加筋擋土墻的極限高度大多都是針對加筋擋土墻墻身的穩定性進行分析，很少考慮地基承載力的問題。Hinchberger[7]通過試驗，分析了加筋擋土墻地基承載力，認為地基承載力跟擋墻的外部穩定性有著直接的關系。Yoo和Song[8]通過試驗，分析加筋擋土墻內部加筋體的應力和應變水平，認為地基承載力跟擋墻的內部穩定性有關系。Bergado[9]采用逐級加載的試驗方法，分析了加筋擋土墻的極限承載力。Kousik[10]通過有限元法，分析了加筋擋土墻的應力和應變。陳建峰[11]通過現場試驗，分析軟土地基上的加筋擋土墻的工作特性，并指出加筋擋土墻的極限狀態為墻身出現鼓肚現象。而對于加筋擋土墻的臨界高度的的研究，大多停留在墻體的穩定性上。為了進一步研究加筋擋土墻的極限狀態，本文從地基承載力入手，采用Plaxis有限元軟件分析墻厚、地下水位和地基土強度對加筋擋土墻的極限高度的影響。

1 數值模型

根據《建筑地基基礎設計規范》(2011年版)，采用平板載荷試驗確定地基承載力要點：沉降s急驟增大，荷載-沉降(p-s)曲線出現拐點為極限承載力值。本文確定地基極限承載力也按照p-s曲線出現拐點來確定。對于軟土地基的擋土墻往往是地基承載力不滿足而出現病害。本文計算采用在擬建擋墻地基上施加與擋墻等寬的預位移的方式計算地基承載力。采用施加預位移模擬容易出現計算不收斂的情況，因而各土層的本構模型采用摩爾-庫倫(MC)模型。數值計算方法為強度折減法。對于軟土地基，地基土強度參數依據《工程地質手冊》表5-3-3關于我國各類軟土的物理力學性質指標，濱海相連云港的內摩擦角8°～12°，黏聚力13～16kPa。再考慮到計算目的的需要，本文內摩擦角取12°，內聚力取15kPa。各土層的計算參數如表1所示，計算承載力時的有限元模型如圖1所示。

表1 各土層計算參數

2 結果分析與討論

《鐵路路基支擋結構設計規范》[12]規定，加筋體長度不小于4m且不小于0.6倍的墻高H。加筋體長度即擋墻厚度，如圖2擋墻厚度B=4m時，H=0m意味著擋墻未開始建造，此時地基極限承力P=80kPa。擋墻高度H=1m、3m、5m、6m時，對應的地基極限承載力P=115kPa、125kPa、130kPa、130kPa。不難看出，隨著擋墻高度的增大，地基的極限承載力也在不斷增大，最大值為130kPa。說明此時擋墻接近了極限高度。

圖2 墻厚B=4m時，建造不同高度的擋墻對應的地基承載力

圖3 不同墻厚的擋墻的臨界高度

圖4 墻厚B=8m時，建造不同高度的擋墻對應的地基承載力

同理可計算出B=2m，B=6m，B=8m所對應的極限高度，如圖4所示。不同擋墻厚度的極限高度與安全系數關系如圖3所示，很顯然，擋墻厚度越大其極限高度越大。

圖5 地基土強度c=4kPa，φ=4°不同墻高的極限承載力

圖6 地基土強度c=15kPa，φ=4°不同墻高的極限承載力

圖7 不同地基土黏聚力c的擋墻臨界高度

如圖5～圖6，地基土強度c=4kPa，φ=4°時，擋墻高度H=0m、1m、6m、7m時，對應的地基極限承載力P=38kPa、48kPa、48kPa、48kPa、140kPa。地基土的極限承載力最大值為48kPa。安全系數fs=1.3時,擋墻的極限高度H=P(B-2e)/(fs×B×γ)=48/(1.3×16.5)=2.2m。同理可以計算出不同地基土強度的擋墻極限高度。不同地基土強度的擋墻的極限高度與安全系數的關系如圖7所示，地基土內摩擦角均為4°時，地基土黏聚力c=4kPa、8kPa、12kPa、15kPa安全系數fs=1.3所對應的擋墻極限高度分別為2.2m、4.5m、5.5m、7.0m。不難看出，地基土強度越大，加筋擋土墻的極限高度越高。

如圖8，地下水位d=-1m時，擋墻高度H=0m、1m、3m、5m、6m時，對應的地基極限承載力P=90kPa、125kPa、135kPa、140kPa、140kPa。地基土的極限承載力最大值為148kPa。安全系數fs=1.3時,擋墻的極限高度H=P(B-2e)/(fs×B×γ)=140/(1.3×16.5)=6.5m，如圖9所示。同理，采用同樣的方法可以繪制出不同地下水位的加筋擋土墻的極限高度與安全系數的關系圖，如圖10所示。安全系數fs=1.3時，地下水位d=-1m，d=-3m，d=-5m，d=-7m所對應的加筋擋土墻的極限高度分別為6.5m，8m，8.5m，9m。地下水位越高加筋擋土墻的極限高度越小。因為地基承載力隨著地下水位的上升而減少。地下水位在基底附近變化時，加筋擋土墻的極限高度隨之變化較為顯著。

圖8 地下水位d=-1m時不同墻高的極限承載力

圖9 地下水位d=-7m時不同墻高的極限承載力

圖10 不同地下水位高度的擋墻臨界高度

上述對不同的墻厚、地基土強度和地下水位對加筋擋土墻的極限高度的影響的分析，都存在著擬建擋墻高度H所對應的地基承載力極限值。加筋擋土墻作為一種支擋結構，其擬建高度一般都等于墻背土高度。因此，擋墻墻背土的高度也對擬建加筋擋土墻的地基承載力有影響。說明了旁載能夠在一定程度上提供地基承載力。這一點也可以從《建筑地基基礎設計規范》[13]對于地基承載力的寬度修正做出的規定來解釋：寬度在3m～6m之間應該對地基承載力進行修正，埋深不超過6m也應對地基承載力進行修正。

3 結論

本文借鑒載荷試驗法確定地基承載力的思路：沉降s急驟增大，荷載-沉降(p-s)曲線出現拐點為極限承載力值。再根據安全系數和擋墻極限高度與地基承載力的關系，為探索擋土墻能夠建多高這個問題提供了一個新思路。同時，通過數值模擬分析加筋擋土墻的極限高度得出了以下結論：

(1)加筋擋土墻的墻厚越厚，其極限高度越高。

(2)地基土強度越高，其極限高度越高。

(3)地下水位越高，加筋擋土墻的極限高度越小。