廢舊輪胎擋土墻與傳統擋土墻穩定性能對比研究

姚寶寬，王麗艷，謝紅梅，鞏文雪

（1. 江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212001；2. 江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇筑森建筑設計有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

目前廢舊輪胎作為建筑材料已廣泛投入到建筑工程中使用，對于輪胎及輪胎顆粒混合材料的力學性能研究也十分豐富。張廣泰等[1]進行了單軸受壓試驗和極限承載試驗，研究了疊層廢舊輪胎隔振墊在不同尺寸及設計壓力下的單軸受壓性能和豎向力學性能。Yoon等[2-3]采用平板荷載試驗研究廢舊輪胎墊相對密度、嵌入深度和輪胎類型等多種因素對砂土加固作用的影響以及在不同組合形式和各種條件下的增強效果；Kim等[4]進行現場拉拔試驗分析了有效錨固長度、輪胎數量等對輪胎拉拔性能的影響；李朝暉等[5]采用專門設計的環刀擊石設備對比研究了輪胎顆粒-黃土混合料的壓實性能，并給出不同混合料擊實指標的建議值；李麗華等[6-8]采用室內模型試驗研究了廢舊輪胎加筋對土體強度以及邊坡穩定的影響，發現廢舊輪胎加筋明顯，可顯著改善路堤沉降，同時對比分析了與土工格室加筋機理的異同，為廢舊輪胎加筋土的應用提供理論基礎，并分析廢舊輪胎加筋機理，給出了關于廢舊輪胎加筋地基承載力的計算方法。LaRocque等[9]進行直剪試驗研究了輪胎捆的加固作用。

現階段對廢舊輪胎擋墻的有關研究成果甚少。黃留新和王麗艷等[10]采用FLAC3D數值模擬建立了廢舊輪胎擋土墻模型，研究了廢舊輪胎尺寸對擋土墻水平變形的影響。Garga和O’Shaughnessy兩位學者[11]首次研究了廢舊輪胎擋墻，采用約10 000只整輪胎建立了一個4 m高的輪胎擋土墻開展現場測試，進行了無黏性土和黏性土回填輪胎的工況的研究。Retterer[12]給出了各種廢舊輪胎擋墻類型及其設計方法，馬源[13]運用二維數值計算對廢舊輪胎胎面重力式擋墻進行研究（以Retterer給出的“梯形”墻型為主要研究對象），為數值模擬提供參數依據。李春強等[14]采用 Plaxis有限元數值分析軟件模擬計算了廢舊輪胎復合單元體擋土墻的最大水平、垂直位移并對最大位移的各影響因素進行敏感性分析，給出工程應用上的建議。

擋墻結構在工程實際中廣泛應用，主要應用于工程領域，隨著時代發展，擋墻結構形式逐漸豐富化，重力式擋墻、懸臂式擋墻和面板式土工格柵加筋土擋墻是工程實踐中最為常見的三種擋墻結構。為研究廢舊輪胎擋墻的工程優勢，揭示廢舊輪胎擋土墻穩定性能。本論文對比分析廢舊輪胎擋墻和以上三種傳統擋墻的變形與墻背受力特性。

1 數值模型建立

選取輪胎型號為 10R22.5，輪胎直徑 D為1.04 m，廢舊輪胎斷面寬度t為0.26 m。經多次試算，劃定擋土墻的數值模擬邊界范圍，取輪胎墻的縱向計算長度8 D較為合理；同理，取墻面向前距離10 D和地基深度向下距離6 D處作為墻前地基計算邊界。不同的是墻寬尺寸，選取性能較好的重力式擋土墻和經濟型的懸臂擋土墻進行對比研究。

為了對比，四類擋墻的高度H均為4.68 m，重力式擋墻墻體的平均寬度與廢舊輪胎擋土墻的保持一致，取為1.04 m。根據規范中的規定[15]，重力式擋墻的混凝土墻頂寬度必須大于 0.4 m，取墻頂寬度B0為0.58 m，則取墻底寬度B3為1.5 m；取基礎埋置深度最小值1.0 m，基礎寬度為3.0 m，厚度為1 m。查閱相關規定[15]，懸臂式擋墻墻頂寬度B0取規定寬度最小值為0.2 m；基礎埋置深度為1 m，基礎寬度為3.0 m，厚度為1 m。土工格柵鋪設在懸臂式擋墻墻后回填料中，懸臂式擋墻和土工格柵結合共同形成面板式土工格柵加筋擋土墻。為了比較，取面板式土工格柵加筋擋土墻墻頂寬度 B0為0.2 m。土工格柵的加筋長度為0.7 H，豎向加筋間距為2 t。

四類擋墻墻長均為8.32 m，墻前地基寬度B1為10.4 m，墻后回填料寬度B2為20.8 m，地基深度H1為6.24 m。

四種擋墻結構示意圖分別如圖1～4。

圖1 廢舊輪胎擋墻結構示意圖Fig. 1 Structural diagram of waste tire retaining wall

圖2為重力式擋墻結構示意圖，圖3為懸臂式擋墻結構示意圖。

圖2 重力式擋墻結構示意圖Fig. 2 Structural diagram of gravity retaining wall

圖3 懸臂式擋墻結構示意圖Fig. 3 Structural diagram of cantilever retaining wall

除廢舊輪胎擋墻外，其余三種擋墻的墻面均為混凝土面板。查閱工程項目資料及相關文獻，取墻面板體積模量為49.4 MPa，剪切模量為21.9 MPa，密度為1 900 kg/m3，黏聚力為10 kPa，內摩擦角為40°，抗拉強度為138 kPa。輪胎內回填料與輪胎墻后的回填料材料相同且均采用砂類土[15]。取回填料體積模量為23.8 MPa，剪切模量為16.3 MPa，密度為1 850 kg/m3，內摩擦角為35°，抗拉強度為1 kPa。

四類擋墻所用混凝土材料、地基和墻后回填料相同。根據《地基與基礎》確定基礎與地基參數取值[16]，基礎的材料參數取體積模量為15.2 GPa，剪切模量為112.8 GPa，密度為2 385 kg/m3。地基材料參數取體積模量為 49.4 MPa，剪切模量為32.5 MPa，密度為2 400 kg/m3，黏聚力為3.5 kPa，內摩擦角為37°，抗拉強度為5.6 kPa。

根據相關文獻選取輪胎參數[17]。輪胎體積模量取為1.96 GPa，剪切模量取為0.75 GPa，密度為1 250 kg/m3，厚度為20 mm。

圖4 面板式土工格柵加筋土擋墻結構示意圖Fig. 4 Structural diagram of panel geogrid reinforced soil retaining wall

參考相關文獻和相關工程項目資料，結合FLAC3D用戶手冊以確定輪胎與回填料、地基與地基之間的接觸參數[18-19]。輪胎與回填料的接觸面剛度為 4.55×104kN/m，摩擦角為 29°，黏聚力為 8 kPa，基礎與地基接觸面剛度為9.27×104kN/m，摩擦角為29.6°，黏聚力為28 kPa。

根據相關的工程項目以查閱文獻[20]，選取土工格柵的材料參數，取彈性模量為20 GPa，泊松比為0.33，切向剛度為4×104kN/m，摩擦角為30°，黏聚力為2.4 kPa，密度為650 kg/m3，厚度為2 mm。

分析四種擋墻在靜力作用下的穩定性能，四種擋墻邊界條件相同，固定模型四周和底部，僅在模型上部施加均勻外荷載。

2 穩定性能對比分析

2.1 水平變形

外荷載q=70 kPa時，如圖5為四種擋墻的水平變形云圖。重力式擋墻的水平變形均在墻面均勻分布，擋墻整體產生變形，這與面板式土工格柵加筋土擋墻水平變形分布是一致的，而另外兩類擋墻的水平變形分布均沿墻高逐漸增大，較大水平變形發生在擋墻上半部分。

圖5 不同擋墻的水平變形云圖Fig. 5 Contours of horizontal deformation of different retaining walls

當q=70 kPa時，四種擋墻的水平變形分布曲線如圖 6。在同一水平高度處，懸臂式擋墻的水平變形最大，廢舊輪胎擋墻次之，重力式擋墻有最小水平變形；重力式擋墻和土工格柵面板式擋墻的水平變形沿墻高呈線性增加；廢舊輪胎擋墻水平變形反之。懸臂式擋墻的水平變形最大，水平變形沿墻高呈不斷增大的趨勢。

圖6 四種擋墻的水平變形曲線Fig. 6 Curves of horizontal deformation of four retaining walls

最大水平變形由小到大依次為：重力式擋墻、土工格柵加筋土面板式擋墻、廢舊輪胎擋墻、懸臂式擋墻，對應的最大水平變形分別為0.11、0.2、1.82、3.70 cm。在靜力條件下，上述擋墻抵抗水平變形依次變差。

2.2 豎向沉降

四種擋墻在外荷載為 70 kPa時的豎向沉降云圖如圖7。

圖7 四種擋墻豎向沉降云圖Fig. 7 Contours of vertical settlement of four retaining walls

廢舊輪胎擋墻墻后回填料較大豎向沉降發生在靠近墻面處，豎向沉降在距墻面較遠處較小，這與懸臂式擋墻墻后回填料豎向沉降的變化是一致的；其余兩種擋墻隨距墻面距離的增大，墻后回填料的豎向沉降逐漸增大，在距墻面較遠處，逐漸保持平穩。

當q=70 kPa時，四種擋墻的豎向沉降分布曲線如圖8。

圖8 四種擋墻的豎向沉降曲線Fig. 8 Curves of vertical settlement of four retaining walls

廢舊輪胎擋墻和懸臂式擋墻回填料在對于距墻面板0～4 m處，隨距墻面距離的增大，豎向沉降逐漸增大，后隨距墻面距離的增大而減小，最后趨于平穩；在距墻面板0～4 m處，其余兩種擋墻回填料隨距墻面距離的增大，其豎向沉降隨之增大，最后變化趨勢逐漸達到平穩。

懸臂式擋墻、廢舊輪胎擋墻、重力式擋墻和面板式土工格柵加筋土擋墻的最大豎向沉降分別為3.66、3.00、2.66、2.17 cm，豎向沉降依次減小。

2.3 水平土壓力

圖9為四類擋墻在q=70 kPa下的水平土壓力分布曲線。由圖知：自墻頂向下，廢舊輪胎擋墻和重力式擋墻的水平土壓力先增加后減小，再增加又減小，由此可見這兩種擋墻抵抗土壓力的工作性能相似；其余兩種擋墻沿墻沿墻頂向下，其水平土壓力先增后減；重力式擋墻的水平變形小，土體應力無法釋放，導致在擋墻下半部分，其水平土壓力大。

圖9 四種擋墻的水平土壓力分布曲線Fig. 9 Curves of horizontal soil pressure of four retaining walls

3 結 論

（1）對比廢舊輪胎擋墻與三類傳統擋土墻工作性能，得出靜載條件下，結構形式不同的擋墻工作性能由優到差依次為：重力式擋墻＞面板式土工格柵加筋土擋墻＞廢舊輪胎擋墻＞懸臂式擋墻。

（2）廢舊輪胎擋墻墻后回填料較大豎向沉降發生在靠近墻面處，豎向沉降在距墻面較遠處較小，這與懸臂式擋墻的變化是一致的；其余兩種擋墻隨距墻面距離的增大，墻后回填料的豎向沉降逐漸增大，在距墻面較遠處，逐漸保持平穩。懸臂式擋墻、重力式擋墻，廢舊輪胎擋墻、面板式土工格柵加筋土擋墻豎向沉降依次降低。

（3）廢舊輪胎擋墻和重力式擋墻的水平土壓力沿墻頂向下，先增后減，再增又減，其余兩種擋墻的水平土壓力沿墻頂向下，水平土壓力先增后減。