生態(tài)加筋土擋墻數(shù)值模擬分析

王婷 李旭康 嚴日恒 許勁晗 李欣宜 曹旭錚

天津仁愛學院，中國·天津 301636

1 引言

伴隨著氣候變化、地震災害、重大疫情等危機的頻頻發(fā)生，韌性理念成為中國智慧城市發(fā)展規(guī)劃當中的重要內(nèi)容。韌性指系統(tǒng)能夠憑借自身的能力去抵御災害、適應災害，從而減少沖擊對系統(tǒng)帶來的損失，并通過合理的調(diào)配資源達到新的平衡，達到自我修復，可以體現(xiàn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力[1]。為踐行綠水青山就是金山銀山的綠色發(fā)展理念，生態(tài)、環(huán)保和節(jié)能的需求也成為我們必須考慮的條件。夏樂[2]提出了生態(tài)擋土墻的技術思想，增加了生態(tài)藍系統(tǒng)，使擋土墻結(jié)構(gòu)向綠化、降噪、除塵等方向發(fā)展。湯洪霞[3]提出一種新型綠化擋土墻，采用玄武巖纖維筋以及土工布進行施工，依靠自身重力等使抗滑面上的抗剪強度增加，進而增加坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)，達到加固效果。李麗華[4]將廢舊輪胎與三向格柵組合形成共同加筋體，并對加筋土擋墻開展了超載模型試驗，得出此種加筋方式對抗震效果影響顯著的結(jié)論。胡永建[5]以防洪減災護岸工程為研究對象，探討了加筋土擋墻施工工藝，并進行了實際應用，效果良好。目前，國際上學者將韌性和生態(tài)理念結(jié)合起來對加筋土擋墻的研究較少，相較于傳統(tǒng)加筋土擋墻，論文依托某某機場60m高的礫質(zhì)土邊坡，研究的階梯狀生態(tài)加筋土擋墻，能較好地體現(xiàn)韌性和生態(tài)的理念，基于有限元軟件MIDAS，應用強度折減法計算安全系數(shù)并分析其穩(wěn)定性。

2 強度折減法

擋墻的穩(wěn)定性評價由安全系數(shù)F來確定，在極限平衡理論計算法中，安全系數(shù)定義為潛在滑移面的抗滑力（力矩）與下滑力（力矩）之比，即：

兩邊同時除以Fs，得到：

則：

式中：c'和?'為折減后的抗剪強度指標；Fs為強度折減系數(shù)，臨界破壞狀態(tài)的折減系數(shù)Fs為擋墻的安全系數(shù)F。

在極限平衡分析中，強度折減法是按式（3）不斷地降低巖土體的抗剪強度指標，直至擋墻達到臨界破壞狀態(tài)，此時的折減系數(shù)即擋墻的安全系數(shù)。

3 加筋土擋墻工程實例分析

3.1 有限元計算模型

依托某機場的加筋土擋墻，建立有限元計算模型。擋墻高度為60m，坡度較陡，分四級進行填筑，每級擋墻高度為15m，坡度為70°，臺階的寬度為3m。計算模型尺寸的選取參考鄭穎人[6]提出的較為精確的計算范圍，擋墻墻腳處到右端邊界的距離為墻高的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高度不小于擋墻高度的2倍。擋墻中筋材布置長度從一級擋墻至四級擋墻依次為45m、37m、30m和25m，筋材分別取廢舊輪胎條帶和復合筋材（廢舊輪胎和玄武巖纖維筋）進行對比計算。由此得出有限元計算模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

通過對該擋墻填筑料進行土工試驗，及參考有關文獻，計算模型材料參數(shù)取值見表1。

表1 計算模型材料參數(shù)

3.2 變形分析

提取未加筋擋墻、輪胎條帶擋墻和復合加筋擋墻中每級擋墻坡頂和坡腳處共8個點的位移，見表2。規(guī)定測點的水平位移向右為正，豎向位移向上為正。坡頂處水平位移較小，越靠近坡腳，水平位移越大，但到I點時，位移很小，是因為坡腳處設置了護腳。未加筋時，水平位移向右且位移值達30.95m，豎向位移向上且位移值達到8.49m，擋墻已出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞，符合坡體滑移破壞的變形特征。由圖2復合加筋擋墻的水平位移云圖得知，發(fā)生最大水平位移的點位于第一級擋墻靠近坡腳處，位移值為0.288m，方向向右指向臨空面。由圖3豎向位移云圖可知，發(fā)生最大豎向位移的點位于第四級擋墻坡頂處，沉降位移值為0.531m。加筋后擋墻位移大幅度降低，復合筋材對控制擋墻變形效果更明顯。

表2 不同擋墻下各監(jiān)測點的位移值

圖2 復合加筋擋墻的水平位移云圖

圖3 復合加筋擋墻的豎直位移云圖

3.3 應力應變分析

輪胎條帶擋墻最大剪應力值為2.62MPa，復合加筋擋墻最大剪應力值為1.73MPa，均出現(xiàn)在坡腳位置處，越靠近坡頂位置處其值越小。說明復合布筋方式可以明顯改善填土內(nèi)的剪應力分布，減少擋墻剪應力集中現(xiàn)象（見圖4）。

圖4 擋墻的最大剪應力云圖

由塑性區(qū)分布圖可看出，輪胎條帶擋墻塑性區(qū)范圍較窄，剪切帶距離坡頂43m，而復合加筋擋墻塑性區(qū)范圍擴大，且貫通位置后移，剪切帶距離坡頂63m，說明玄武巖纖維筋和輪胎條帶共同作用，有效地提供了抗拉力，阻止其滑裂面的貫通。擋墻的等效應變云圖見圖5。

圖5 擋墻的等效應變云圖

3.4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，安全系數(shù)不應小于1.35。對比分析未加筋、輪胎條帶擋墻和復合加筋擋墻穩(wěn)定性，安全系數(shù)如表3所示。未加筋時，擋墻安全系數(shù)為1.05，不能滿足規(guī)范要求，因此需要采用加筋方式來提高擋墻的安全性。復合布筋方式相比于僅布置輪胎條帶，安全系數(shù)提高了30.1%，說明復合加筋方式能有效地提高擋墻的穩(wěn)定性。

表3 擋墻的安全系數(shù)

4 結(jié)論

①筋材可有效地控制擋墻的變形，相比之下，復合筋材對控制擋墻變形效果更明顯，能有效地提高擋墻的穩(wěn)定性。

②復合布筋方式可以明顯改善填土內(nèi)的剪應力分布，減少擋墻剪應力集中。

③玄武巖纖維筋和輪胎條帶共同作用，能有效地提供了抗拉力，阻止其滑裂面的貫通。