生態(tài)擋土墻剪切帶的演化數(shù)值分析

張俊騰，曹文峰，尤文貴

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，福建 福州 350119)

0 引言

生態(tài)擋土墻采用土工合成材料返包[1]替代剛性面板作為傾斜式墻面，可便于在墻面種植灌木草本等植物，以形成立體的生態(tài)支檔系統(tǒng)。生態(tài)加筋擋土墻與傳統(tǒng)加筋擋土墻相比具有如下特點(diǎn)：(1)施工簡便、造價(jià)低。(2)可以防止水土流失，生態(tài)環(huán)保又兼具景觀功能。(3)可以避免出現(xiàn)填料土與墻面沉降差而導(dǎo)致的墻面不平整。(4)適用的工程領(lǐng)域更廣闊[2]。生態(tài)擋土墻具有良好的力學(xué)與生態(tài)功效，被廣泛應(yīng)用于鐵路[3]、公路[4]和河道[5]等領(lǐng)域。然而，作為一種新型的支檔結(jié)構(gòu)，其理論研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐[6]。目前生態(tài)擋土墻的設(shè)計(jì)大多參考傳統(tǒng)加筋擋土墻的設(shè)計(jì)方法，即以極限平衡法[7]為理論基礎(chǔ)。其設(shè)計(jì)計(jì)算包括外部穩(wěn)定計(jì)算和內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算兩大部分。規(guī)范[8-11]規(guī)定：外部穩(wěn)定計(jì)算包括地基承載力、整體穩(wěn)定、抗傾覆和抗滑移，內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算包括筋材拉力和抗拔。規(guī)范[8-11]推薦計(jì)算邊坡穩(wěn)定性所采用的極限平衡法大多基于瑞典條分法[12]，其基本原理[13]是：通過將滑移面以上的土體劃分為有限個(gè)剛體計(jì)算不同滑移面處于極限平衡狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，選出最小安全系數(shù)及所對(duì)應(yīng)的滑移面。目前工程師普遍采用的理正巖土分析便是基于該原理對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上，擋土墻在外界環(huán)境作用下土體的強(qiáng)度會(huì)逐漸減小。有限元強(qiáng)度折減法通過不斷減小土體的抗剪強(qiáng)度，使擋土墻達(dá)到瀕臨破壞狀態(tài)，從而計(jì)算得到安全系數(shù)和滑移面，這種方法顯然更符合實(shí)際[14]。研究傳統(tǒng)加筋擋土墻應(yīng)力應(yīng)變的文獻(xiàn)[15-18]很多，但是對(duì)穩(wěn)定性分析，特別是對(duì)軟土地基上的加筋擋土墻穩(wěn)定性研究的文獻(xiàn)不多。生態(tài)擋土墻與傳統(tǒng)加筋擋土墻在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要在墻面板的形式，本文將介紹生態(tài)加筋擋土墻的結(jié)構(gòu)形式，采用有限元法驗(yàn)證傳統(tǒng)加筋擋土墻設(shè)計(jì)方法在生態(tài)擋土墻上的適用性，并從剪切帶入手，重點(diǎn)分析生態(tài)擋土墻在軟土地基上的破裂面受結(jié)構(gòu)填土、加筋體剛度和筋土界面折減強(qiáng)度影響的演化規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立

擋土墻采用主流的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。擋土墻的橫截面為平行四邊形，坡率為1∶0.8，擋土墻高為6 m，加筋體間距為0.5 m，加筋體水平投影長度為6 m，每鋪設(shè)一層加筋體返包長度為2 m。擋土墻采用的幾何模型、施工過程和各土層參數(shù)參考Bergado[19]在泰國曼谷做的現(xiàn)場試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)。

圖1 生態(tài)擋土墻結(jié)構(gòu)

如圖1所示，擋墻高6 m，墻厚6 m，加筋體間距覆蓋的風(fēng)化層厚度為2 m。邊界條件為左邊15 m，右邊25 m。目前生態(tài)擋土墻的墻面做法主推柔性生態(tài)袋和自嵌式新型土工織物[20]包裹，兩者均需在外端部分將加筋體折回一定長度進(jìn)而將生態(tài)袋或土工織物包裹在墻表面。根據(jù)規(guī)范[8-11]，本文的返包長度取2 m，加筋體剛度EA=1 000 kN/m。如圖2所示，模擬擋土墻逐級(jí)填筑施工的過程，每層填筑厚度為0.5 m，加筋體間距為0.5 m，加筋體長度為6 m，軟土層厚8.5 m，固結(jié)時(shí)間為3 d，總共12層，工期為36 d。由于軟土地基的固結(jié)變形周期較長，本文有限元模擬階段延長到0～200 d。各土層泊松比v均為0.25，材料模型為HSS[21]，m為剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)，砂土取0.5，黏土取0.8。施工模擬過程見圖3，其余參數(shù)詳見表1。

圖2 擋土墻的有限元模型

圖3 有限元的施工模擬過程

表1 各土層計(jì)算參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

采用極限平衡法計(jì)算加筋擋土墻的穩(wěn)定性一直以來都是規(guī)范推薦的方法，但是其計(jì)算結(jié)果偏于保守。采用有限元法計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際[14]，為了驗(yàn)證采用有限元法計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文將極限平衡法計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。本文采用的PLAXIS軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件。采用該軟件分析加筋擋土墻穩(wěn)定性的研究很少，從剪切帶入手分析軟土地基上破壞模式的研究就更少了。圖4(a)為采用GEOSTUDIO軟件計(jì)算的安全系數(shù)，圖4(b)為采用PLAXIS軟件計(jì)算的安全系數(shù)，兩者的滑移面性狀基本類似，安全系數(shù)后者比前者略大。加筋擋土墻的墻面板剛度能夠提高其穩(wěn)定性，但是對(duì)于軟土地基其作用有限[22]，如圖5所示：當(dāng)填土強(qiáng)度c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27°時(shí)，改變墻面板的形式和剛度，擋土墻剪切帶性狀沒有變化，均為深層滑動(dòng)破壞；同理，當(dāng)填土強(qiáng)度c=2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°時(shí)，改變墻面板的形式和剛度，擋土墻剪切帶性狀也沒有變化，均為傾覆破壞。

(a)極限平衡法安全系數(shù)Fs=1.624

(a)生態(tài)擋土墻，c=10 kPa，φ=27°

為了更好地分析生態(tài)擋土墻剪切帶的演化過程，本文分別在軟土地基與硬土地基上，通過改變不同的填土強(qiáng)度、加筋體剛度和筋土界面折減強(qiáng)度分析剪切帶的變化情況。硬土地基的擋土墻模型除了與表1的軟土層參數(shù)不同外，其余土層參數(shù)、幾何模型和施工過程均與軟土地基一致。硬土地基的風(fēng)化層下面8.5 m厚的土層強(qiáng)度c取30 kPa，內(nèi)摩擦角φ取30°，壓縮模量取20 000 kPa。

如圖6(a)(b)所示，填土強(qiáng)度c=2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°時(shí)，軟土地基上的剪切帶從坡趾點(diǎn)向上發(fā)展與硬土地基上的剪切帶性狀基本一致，均未超出Leshchinsky提出的0.3H法[23]確定的折線區(qū)域。當(dāng)軟土地基填土強(qiáng)度c=2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27°時(shí)，剪切帶向地基深處演化，繼續(xù)增大填土強(qiáng)度時(shí)，剪切帶演化成近似瑞典條分法確定的圓弧狀[24]，如圖6(c)(e)所示。然而，對(duì)于硬土地基上的擋土墻，當(dāng)填土強(qiáng)度c=2 kPa、c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=27°時(shí)，剪切帶依然從墻趾向上發(fā)展，但超出了0.3H法[22]確定的折線區(qū)域，表現(xiàn)出了滑移破壞的趨勢，如圖6(d)(f)所示。以上剪切帶的演變說明了：軟土地基上的生態(tài)擋土墻的破壞模式具有一定程度的模糊性，當(dāng)填土強(qiáng)度較小時(shí)容易發(fā)生傾覆破壞，反之則容易發(fā)生深層滑移破壞。當(dāng)填土強(qiáng)度較小時(shí)，硬土地基上的生態(tài)擋土墻容易發(fā)生傾覆破壞，反之則容易發(fā)生滑移破壞。該結(jié)論與藍(lán)日彥等[25]采用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究生態(tài)擋土墻穩(wěn)定性得出的結(jié)論基本一致。

(a)軟土地基，c=2 kPa，φ=18°

如圖7(a)(c)所示，當(dāng)軟土地基上的擋土墻加筋體剛度EA分別為4 000、3 000 kN/m時(shí)，剪切帶貫穿加筋體末端向地基深處發(fā)展呈近似瑞典條分法確定的圓弧狀[24]，其破壞模式為深層滑移破壞。當(dāng)軟土地基上的擋土墻加筋體剛度減小到EA=500 kN/m時(shí)，剪切帶演化成在墻身部分積聚并未向地基深處延伸，如圖7(e)所示。這說明，加筋體剛度不足，自身材料變形過大不能有效抑制墻身的塑性區(qū)發(fā)展。這也意味著，如果加筋體剛度不足時(shí)，穩(wěn)定性計(jì)算的主控項(xiàng)目應(yīng)該是墻身而非地基。對(duì)于硬土地基如圖7(b)(d)(f)所示：當(dāng)加筋體剛度EA從4 000 kN/m逐漸減小到500 kN/m時(shí)，剪切帶從分布在墻身下部向墻身上部演化，說明破壞模式由滑移破壞轉(zhuǎn)向傾覆破壞。該結(jié)論與朱彥鵬等[26]采用ADINA有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析的結(jié)論基本一致。

(a)軟土地基，EA=4 000 kN/m

目前受到認(rèn)可的加筋機(jī)理分別為準(zhǔn)黏聚力理論[27]和摩擦加筋理論[28]。如果加筋體剛度不足則無法與填土形成穩(wěn)定的復(fù)合材料，即土體準(zhǔn)黏聚力無法得到有效提高，這可以用準(zhǔn)黏聚力理論來解釋。同樣的，如果填土強(qiáng)度不足或者筋土界面相互作用強(qiáng)度不足則無法保證填土與加筋體之間有效的摩擦力，這可以用摩擦加筋理論來解釋。對(duì)于軟土地基，當(dāng)筋土界面相互作用折減強(qiáng)度Rinter由0.7逐漸減小到0.2時(shí)，剪切帶由圓弧狀向折線狀演化，如圖8(a)(c)(e)所示。對(duì)于硬土地基，當(dāng)筋土界面相互作用折減強(qiáng)度Rinter由0.7逐漸減小到0.2時(shí)，其破壞模式由滑移破壞向傾覆破壞轉(zhuǎn)化，如圖8(b)(d)(f)所示。該結(jié)論與黃向京等[29]采用Rosenblueth矩估計(jì)方法研究加筋格賓擋土墻外部穩(wěn)定性時(shí)得出的結(jié)論基本一致。

(a)軟土地基，Rinter=0.7

3 結(jié)語

本文采用有限元法，并設(shè)定不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，涵蓋更廣泛的工況，分析生態(tài)擋土墻剪切帶的演化。陳建峰等[30]采用離散單元顆粒流程序和有限差分程序分別模擬加筋擋土墻和本文軟土地基得出的結(jié)論基本一致，因此本文研究結(jié)論更具有工程實(shí)踐意義。

(1)軟土地基對(duì)生態(tài)擋土墻的破壞模式影響較大，當(dāng)填土強(qiáng)度或者加筋體剛度不足時(shí)其破壞模式為傾覆破壞，反之則為深層滑移破壞。當(dāng)加筋體或者填土強(qiáng)度不足時(shí)，硬土地基上的生態(tài)擋土墻破壞模式為傾覆破壞，反之則為滑移破壞。

(2)在設(shè)計(jì)生態(tài)擋土墻時(shí)應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場勘查報(bào)告采用有限元法補(bǔ)充計(jì)算其穩(wěn)定性，合理選用填料和加筋體材料，并根據(jù)剪切帶的演化判斷設(shè)計(jì)主控項(xiàng)目，避免出現(xiàn)材料浪費(fèi)和安全隱患。