嵌鎖式面板加筋擋土墻結(jié)構(gòu)研究

張立乾 陳紅 閆晶

(北京特種工程設(shè)計研究院 100028)

引言

加筋擋土墻由面板、加筋體、土體三部分構(gòu)成。加筋擋土墻的面板是加筋擋土墻結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其主要功能有三個: 一是和加筋材料通過可靠連接形成自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體,共同承受土體壓力載荷; 二是封擋其后土體、保護墻后加筋材料; 三是面板結(jié)構(gòu)整潔、美觀,提供建筑美學(xué)效果。嵌鎖式加筋擋土墻面板結(jié)構(gòu)是在相鄰的面板之間設(shè)置齒榫和齒槽,形成“咬合嵌鎖”的受力機制,從而增強面板結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,加筋材料反包內(nèi)置面板形成可靠連接,同時將加筋材料封閉在墻體內(nèi)部,避免了加筋材料直接暴露在外,有效延緩了加筋材料的老化。

為了研究這種嵌鎖式板面板加筋擋土墻結(jié)構(gòu)承載能力的科學(xué)合理性,基于數(shù)值計算,將嵌鎖式加筋擋土墻和其他四種擋土墻進行承載能力的仿真對比試驗,以期對這種擋墻結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢進行必要的闡析。

1 嵌鎖式面板加筋擋土墻數(shù)值模型的對比

四種對比的擋土墻類型分別為純土臺、不加筋非嵌鎖式、不加筋嵌鎖式、加筋非嵌鎖式。嵌鎖式面板加筋擋土墻示意如圖1 所示。

圖1 嵌鎖式面板加筋擋土墻結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of reinforced concrete retaining wall with interlocking panels

1.1 計算模型及參數(shù)

1.計算模型

五種擋土墻計算模型如圖2 所示。

前三種擋土墻模式對應(yīng)不設(shè)置加筋的工況,重點關(guān)注面板的嵌鎖機制對擋墻承載性能的影響; 后兩種擋土墻模式對應(yīng)加筋的工況,重點關(guān)注面板的嵌鎖機制對加筋擋土墻承載性能的影響。

2.有限元建模

采用ABAQUS 有限元軟件進行結(jié)構(gòu)分析。

模型尺寸: 面板寬度0.45m,高度0.2m;面板基座0.65m,高度0.2m; 土體寬度4.55m,高度1.6m; 土基全寬7m,面板前寬度1.8m,高度1.6m; 加筋材料嵌入面板0.45m,嵌入土體3.55m。

材料本構(gòu)關(guān)系: 土體和土基的本構(gòu)關(guān)系均采用摩爾庫侖模型; 面板和基座考慮到采用素混凝土材料,其強度、剛度均高出土體很多,所以采用彈性本構(gòu); 加筋材料采用彈性本構(gòu)。

圖2 五種擋土墻計算模型Fig.2 Five calculation models of retaining wall

相互作用: 面板和加筋體之間為接觸關(guān)系,接觸面切向摩擦系數(shù)為0.21,法向接觸均為硬接觸; 面板與其后填土、面板底座與周圍土體之間為接觸關(guān)系,接觸面切向摩擦系數(shù)為0.15,法向接觸均為硬接觸; 土基和土層之間為綁定約束; 土層和加筋材料為綁定約束。

邊界條件: 土基兩側(cè)采用水平約束,土基底部為豎向約束; 土層右側(cè)為水平約束。

單元網(wǎng)格劃分: 土基、土體、面板、基座采用4 節(jié)點平面應(yīng)變單元CPE4R,面板和基座共劃分單元366 個,土基劃分單元476 個,土體劃分單元2912 個; 加筋材料采用平面2 節(jié)點梁單元B21,劃分單元176 個。

3.物理力學(xué)參數(shù)

荷載作用: 1)結(jié)構(gòu)自重,容重取20kN/m3;2)土臺頂部分級施加均布載荷,見表1。五種模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 物理力學(xué)指標Tab.1 Physical and mechanical indicator

1.2 計算結(jié)果分析

純土臺模型計算到第5 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為71.06kPa,其塑性剪切帶為自墻角斜向上形成明顯的塑性剪切帶,云圖如圖3a 所示。不加筋非嵌鎖模型計算到第3 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為78.79kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3b 所示。相對于純土臺模型,不加筋非嵌鎖模型的極限承載力提高10.8%,非嵌鎖式擋土墻面板從下而上依次出現(xiàn)錯位滑移,底部面板未出現(xiàn)較為明顯的間隙,面板整體位移形態(tài)呈現(xiàn)水平向錯位滑移。不加筋嵌鎖模型模型計算到第4 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為83.5kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3c 所示。不加筋嵌鎖模型相對于純土臺模型,塑性剪切帶上移,極限承載力提高17.5%,相對于不加筋非嵌鎖模型,極限承載力提高5.6%,嵌鎖式擋土墻面板底部出現(xiàn)較為明顯的間隙,由于齒槽之間的咬合發(fā)揮作用,不會出現(xiàn)整體滑移,面板整體變位形態(tài)呈現(xiàn)繞底層面板前端的轉(zhuǎn)動。

圖3 五種擋土墻結(jié)構(gòu)在極限荷載作用下塑性應(yīng)變云圖Fig.3 Plastic strain nephogram of five retaining wall structure models under limit load

加筋非嵌鎖擋土墻模型計算到第6 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為114.2kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3d 所示。相對于不加筋嵌鎖式擋土墻,加筋非嵌鎖擋土墻的極限承載力提高36.7%,其面板變形以相對滑動為主,轉(zhuǎn)動成分很少。加筋嵌鎖擋土墻模型計算到第6 步出現(xiàn)發(fā)散,對應(yīng)的最大承載壓力為162.5kPa,其塑性剪切帶云圖如圖3e 所示。相對于加筋非嵌鎖擋土墻模型,加筋嵌鎖擋土墻的極限承載力提高43.3%,其面板變形以相對滑動和轉(zhuǎn)動為主,加筋對面板有明顯的拉結(jié)作用,從而使整體結(jié)構(gòu)整體承載能力提高,能承擔更重載荷。

將以上五種結(jié)構(gòu)型式的承載性能進行對比,見表2,承載能力對比柱狀圖見圖4。不難看出,加筋嵌鎖式擋土墻極限承載力最大,相較于前四種擋土墻結(jié)構(gòu),分別提高128.7%、106.2%、94.6% 和43.3%。其墻頂水平向外的變位最大,變形發(fā)展最為充分。

圖4 承載能力對比柱狀圖Fig.4 Comparison histogram of bearing capacity

表2 五種擋土墻承載能力對比Tab.2 Comparison of five types of retaining walls

綜上,基于同等條件下五種擋墻結(jié)構(gòu)類型承載能力對比分析可以得出: 加筋嵌鎖式擋土墻具有最大的承載能力和最大的極限水平變位,是一種理想的擋墻型式。

2 工程方案經(jīng)濟性對比

某場區(qū)擋土墻工程長230m,墻體最高8.9m,最矮2.5m,平均墻高7.5m。選取有表征性的典型斷面進行了嵌鎖式面板加筋擋土墻和鋼筋混凝土懸臂擋墻兩種設(shè)計方案經(jīng)濟性對比。鋼筋混凝土懸臂擋墻結(jié)構(gòu)見圖5,加筋擋土墻結(jié)構(gòu)斷面見圖6。兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟對比分析見表3。基于對比不難發(fā)現(xiàn),加筋擋土墻在施工便捷方面具有明顯優(yōu)勢,面板采取預(yù)制方式,化整為零,不需要大型施工設(shè)備。因此在造價上更具有明顯的優(yōu)勢,相對鋼筋混凝土懸臂擋墻可以節(jié)省31%,經(jīng)濟效益非常明顯。

圖5 鋼筋混凝土懸臂擋土墻斷面(單位： cm)Fig.5 Section of reinforced concrete cantilever retaining wall (unit: cm)

圖6 加筋擋土墻斷面(單位： cm)Fig.6 Section of reinforced and interlocking retaining wall (unit: cm)

表3 擋土墻方案對比Tab.3 Comparison table of retaining wall programs

3 結(jié)語

嵌鎖式加筋擋土墻通過上下相鄰面板之間設(shè)置齒榫和齒槽,形成“咬合嵌鎖”的受力機制,增強擋墻面板的整體穩(wěn)定性、牢固性; 又基于加筋材料反包內(nèi)置面板的連接技術(shù),大幅提高加筋材料和面板之間的連接性能,同時將加筋材料封閉在墻體內(nèi)部,有效延緩加筋材料老化。嵌鎖式加筋擋土墻系列技術(shù)同步申請了國家專利(ZL 2017 2 1539931.4、ZL 2017 2 1540660.4、ZL 2017 2 1539929.7、ZL 2017 2 1541155.1、ZL 2017 2 1539890.9)。數(shù)值仿真計算證明了這種擋土墻結(jié)構(gòu)在承載能力方面具有明顯優(yōu)勢,同時相較于傳統(tǒng)擋土墻,具有施工便捷、造價經(jīng)濟的特點。