返包式加筋土擋墻的數值模擬研究

任 鑫

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在山區公路建設中，由于地形、地貌和地質環境復雜，高填方邊坡工程日益增多，傳統支擋結構如重力式、懸臂式擋土墻，雖然設計施工簡單，卻存在明顯的缺陷：(1)對公路沿線造成不同程度的生態和環境破壞；(2)占用大量寶貴的土地資源；(3)工程量大、工期長；(4)工程造價高。而加筋土技術，通過在土體中成層埋設高模量的加筋材料，增強邊坡穩定性，使填方邊坡坡度增大，由此減小土方用量，節約工程占地，提高經濟效益。近年來應用廣泛的返包式加筋土結構[1]利用加筋材料返包形成結構物坡面，具有更好的地基適應性以及更輕的自重,且其返包面可通過植草技術進行坡面綠化,實現工程建設和生態環境相結合。

雖然加筋土結構已經被采用數十年，但目前對其力學特性和破壞機理的認識仍不足。相關研究學者通過理論分析、現場試驗、室內試驗和數值模擬等手段[2-5]，研究了加筋土結構的力學特性和加筋機理,得到許多有益的結論。上部有路肩填土作為超載的加筋土路堤是山區公路、鐵路建設中一種獨特但應用廣泛的結構。然而，對上述結構施工期間和竣工后的性能和穩定性研究很少。

本文依托中國西南山區一典型的返包式加筋土擋墻，其上部為8m高的未加筋路肩，下部為14m高的土工格柵加筋路堤，采用FLAC3D有限差分軟件對其建模分析，研究返包式加筋土擋墻的水平位移、剪應力分布規律及穩定性，該研究對指導西南山區強風化花崗巖擋墻施工建設和生態環境保護具有重大的現實意義和實用價值，為返包式加筋擋墻的設計和施工提供理論依據。

1 工程概況

該返包式加筋土擋墻位于四川省甘孜州貓子坪至磨西改建公路工程K2+180-K2+299.5段，結構總高度為22m。擋墻下級為高14m，坡率1∶1的加筋路堤，上級為高8m，坡率1∶1.5的素填土路肩，路堤與路肩之間設2m寬的平臺。路堤及路肩填土均就近采用西南山區典型的強風化花崗巖碎石土，加筋材料采用GATTDG-150型聚合土工格柵，共設置27層，下部10層長度為14m，上部17層長度為18m，層間距均為0.5m，每層筋材在坡面端部處預留3m包裹、折回。

2 數值模型的建立

采用三維有限差分軟件FLAC3D模擬加筋土擋墻的力學性能，由于路堤具有對稱性，為了簡化分析，選擇對路堤結構的一半進行建模，模型縱向取路堤分段長度4m。巖土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，相關力學參數見表1，筋材采用FLAC3D中內置的Geogrid結構單元，在這種單元中，筋土間的摩擦特性通過彈簧-滑塊系統來模擬[6]，筋材及筋土界面特性參數見表2。在模型底部(z=0平面)，x、y和z這3方向的位移均約束為0；約束x=0m(擋墻對稱中心)和x=32m兩個豎直面的x向位移為 0；約束y=0.0m和y=4m兩個豎直面上y向位移為 0。

表1 土體力學參數

表2 筋材及筋土界面的力學參數

3 結果分析

3.1 位移分析

圖1、圖2分別為未加筋擋墻、加筋擋墻水平位移等值線圖，由圖1可知，未加筋擋墻最大水平位移出現在路堤中下部，其值為27mm，擋墻的側向變形呈沿坡面向結構內部逐漸減小的趨勢，出現明顯的“鼓肚”[7]，但擋墻的整體變形并不是很大。由圖2可知，加筋后擋墻的最大水平位移仍出現在路堤坡面中部，其值為17mm，相對于未加筋擋墻，最大水平位移減小了37 %，說明在擋墻中鋪設土工格柵能夠顯著降低擋墻的側向變形。

圖1 未加筋擋墻水平位移等值線

圖2 加筋擋墻水平位移等值線

3.2 應力分析

圖3，圖4分別為未加筋擋墻、加筋擋墻剪應力等值線圖。由圖3可知，未加筋擋墻的最大剪應力均出現在路堤底部靠近坡面位置，最大剪應力為 72kPa，整體來看，路堤坡面附近剪應力分布較均勻。由圖4可知，加筋后最大剪應力出現位置同未加筋擋墻。最大剪應力值為65kPa，相對于未加筋擋墻僅下降了13 %，但從剪應力分布情況來看，加筋后剪應力分布明顯比未加筋擋墻更均勻，擋墻范圍內僅存在很少的的剪應力為負的區域，且未出現明顯的剪應力集中現象，這也說明加筋可以改善擋墻內部剪應力的分布，筋土之間的傳遞分散作用能夠減少剪應力集中，從而提高擋墻內部穩定性。

圖3 未加筋擋墻剪應力等值線

圖4 加筋擋墻剪應力等值線

3.3 穩定性分析

圖5、圖6分別為未加筋擋墻、加筋擋墻的最大剪切應變增量云圖，對比分析圖5、圖6可以得到如下結論：(1)未加筋時，弧形的塑性區從路堤坡腳開始向上延伸直至路肩坡腳，如果不采取有效的支護措施，將容易出現滑移破壞；(2)加入筋材后，塑性區的位置發生明顯的轉移，整個塑性區往加筋結構內部和上部轉移，也就是說，加筋后滑動土體體積增大，加筋結構更加安全。此外，采用強度折減法[8]分別對未加筋與加筋擋墻的安全系數進行求解，未加筋擋墻的安全系數為1.08，加筋擋墻的安全系數為1.74，可見加筋后路堤擋墻的穩定性有了很大提高。

圖5 未加筋擋墻最大剪切應變增量云圖

圖6 加筋擋墻最大剪切應變增量云圖

4 結論

本研究采用有限差分軟件FLAC3D對一22m高的返包 式加筋土擋墻進行了數值模擬研究，探討了加筋擋墻水平位移、剪應力的分布規律以及穩定性。得到以下結論：

(1)加筋前后擋墻的側向變形均沿坡面向結構內部逐漸減小，出現明顯的“鼓肚”。

(2)在擋墻中鋪設土工格柵能夠顯著降低路基的側向變形。

(3)筋帶可以改善擋墻內部剪應力的分布，筋土之間的傳遞分散作可以減少剪應力集中，從而提高內部穩定性。

(3)采用強度折減法對未加筋擋墻和加筋擋墻的安全系數進行求解，發現加筋后擋墻穩定性明顯提高。