加筋土擋墻路堤受力變形特性及穩定性分析

■沈忠敏

（連城縣交通運輸局，連城 366200）

近年來高速城市道路大規模建設， 由于用地紅線限制，支擋結構往往坡率較陡。而土工格柵加筋材料能夠適應支擋、橋臺等各種圬工結構，具有廣泛的工程運用前景。 加筋土擋墻相較于傳統擋墻具有更強的承受水平土壓力、 豎向土壓力及抗傾覆力的能力[1-2]。 加筋土擋墻屬于柔性結構，具有變形適應能力強、協調不均勻沉降能力強，遇外力后恢復形變能力較強，抗震性好等優點。目前國內外學者針對加筋土擋墻的加筋作用機理進行了大量研究， 主要有摩擦加筋理論和準粘聚力理論。摩擦加筋理論認為，在土體中鋪設土工格柵這種高模量筋材使土體與土工格柵之間產生了摩擦咬合作用，加筋土形成錨固系統，進而改變邊坡穩定性及變形特性。 準粘聚力理論是將加筋土擋墻邊坡視為筋—土復合體， 相較于原土體，筋—土復合體的抗拉強度有明顯增加，應力應變特性改善，從而改變了邊坡破壞模式。土工格柵是通過筋材鋪設張拉來影響加筋土擋墻支護效果， 鋪設土工格柵后邊坡中的應力應變發生改變， 變形特性及破壞模式也隨加筋形式的變化而變化[3-4]。 基于此，本文通過模擬未加固處理路堤邊坡和土工格柵間距1.0、0.5 m 的加筋土擋墻邊坡土體應力、 位移及穩定性情況差異， 研究土工格柵對加筋土擋墻路堤邊坡的變形、穩定性作用機理及影響規律。

1 路堤加筋擋墻穩定性數值分析

1.1 工程背景

選取福建省福清市某公路路堤邊坡工程項目為研究對象，路堤加筋土擋墻結構如圖1 所示，加筋土擋墻邊坡高度為6 m，路堤頂面寬度40 m，坡率為1∶0.5。 擋墻采用生態框砌塊擋墻， 砌塊尺寸長×寬×高為2 m×1 m×0.5 m，生態框砌塊可以種植草木，以滿足景觀要求。

圖1 加筋土生態擋墻

1.2 數值模型

本文采用強度折減法分析邊坡的安全系數及塑性區。 強度折減法由Zienkiewicz[5]在1975 年首次提出，其基本原理是對巖土體的抗剪強度參數粘聚力c 與內摩擦角φ 進行折減，直至邊坡達到極限狀態。 這時對應的折減系數為邊坡的安全系數，該方法可以得到潛在破壞面的位置。 本文采用Midas 軟件建立二維邊坡模型進行數值模擬，路堤坡頂施加的車輛荷載為20 kPa，模型如圖2 所示。 擋墻及地基各巖土層物理力學指標參數如表1 所示。

表1 材料參數

圖2 Midas 邊坡二維分析模型

本項目為生態砌塊加筋擋墻，屬于模塊式加筋擋墻，為保證擋墻與土工格柵協同作用，土工格柵設計間距為N 倍的生態砌塊高度，即為0.5N。 且根據《公路土工合成材料應用技術規范》條文，對墻后加筋，層間距不宜大于1.0 m[6]。 因此建立加筋土擋墻模型時土工格柵間距為0.5、1.0 m。

路基加筋土擋墻設計中，對土工合成材料強度影響較大的是蠕變和施工損傷這2 個因素。 本項目土工格柵選用坦薩UX1400 單向塑料土工格柵。 該材料采用的聚合物整板沖孔拉伸工藝生產為剛性的單片格柵，有整體的節點，具有高強度、高模量、抗老化、耐腐蝕、低蠕變等優越的工程性能。 坦薩UX1400 單向塑料土工格柵， 其極限抗拉強度為70 kN/m，5%延伸率下的拉伸力為31 kN/m，因此取EA=620 kN/m，Np=70 kN/m。 筋土界面系數Rinter=0.7。 土工格柵鋪設長度為8 m。

2 路堤邊坡穩定性數值分析

2.1 不同加筋間距下邊坡土體沉降

加筋擋墻路堤變形分析理論主要分為2 種：一是摩擦加筋理論，土工格柵與土體之間通過界面相互摩擦咬合，該種方法較符合實際情況，但界面參數難以測定，且忽略了土工格柵在拉力作用下的變形；二是將土工格柵和土體視為土工格柵—土復合體，加筋土結構中土工格柵約束側向變形[6-7]。 圖3表示不同土工格柵間距下路堤表面的沉降，從圖中可以看出路堤表面沉降呈鞍馬狀，加筋前后，路堤表面沉降有明顯減小。 由于加筋土擋墻限制，臨近擋墻側沉降下降幅度更大，靠近路堤中心線范圍的路堤沉降基本一致。 這表明，土工格柵間距減小，路堤沉降降低；并且土工格柵有顯著的擴散效應，以及協調路基不均勻沉降的能力[8]。 喻澤紅等[9]發現加筋邊坡改善土體變形，使得邊坡沉降相對均勻，加筋間距減小到一定程度時，土體延性顯著增大，加筋邊坡的呈現柔性破壞的特征。

圖3 不同土工格柵間距下路堤表面的沉降

2.2 不同加筋間距下擋墻墻面水平位移

圖4 為不同格柵間距下加筋土擋墻墻面的水平位移，可以看出實施加筋土擋墻前后，墻面的水平位移有明顯減小。 而擋墻腰部的水平位移較大，墻頂處的水平位移較小。 匡柯柯等[10]研究發現加筋土擋墻面板處的水平位移具有明顯的“凸肚”特性，呈先增大后減小的變化趨勢。 任鑫[11]發現擋墻墻面的水平位移呈沿坡面向結構內部逐漸減小的趨勢，出現明顯的“鼓脹”。

圖4 不同土工格柵間距下加筋土擋墻墻面水平位移

2.3 不同加筋間距下邊坡的穩定性變化

由表2 可知，未有加筋土擋墻加固的邊坡安全系數為0.7；采用加筋土擋墻的處理后邊坡安全系數顯著上升，土工格柵間距為1.0 m 時，安全系數上升至2.0，土工格柵間距為0.5 m 時，安全系數為2.5。

表2 不同格柵間距下路堤邊坡安全系數

圖5 為不同格柵間距的邊坡的塑性云圖。經加筋土擋墻加固后，在土工格柵橫向作用下，邊坡土體內部均未形成貫徹式滑動面，滑塊體積變大。 滑動面也由原本的圓弧狀橫向發展，形成折線滑動面。

圖5 不同格柵間距邊坡塑性云圖

圖6、7 為不同土工格柵間距的加筋土擋墻邊坡主應力圖，從圖中可以看出邊坡最大主應力存在拉應力與壓應力，而最小主應力以壓應力為主。 土工格柵間距為1.0 m 的加筋土擋墻邊坡最大主應力中最大拉應力為49.9 kPa， 最大壓應力為314.0 kPa，最小主應力最大值為645.0 kPa；土工格柵間距為0.5 m 的加筋土擋墻邊坡最大主應力中最大拉應力為18.0 kPa， 最大壓應力為313.8 kPa，最小主應力值最大值為582.9 kPa。

圖6 間距0.5 m 的加筋土擋墻邊坡最主應力圖

圖7 間距1.0 m 的加筋土擋墻邊坡主應力圖

這一現象表明，加筋土擋墻能夠有效加固路堤邊坡，顯著改善邊坡內部應力，提高邊坡安全系數。喻澤紅等[9]認為土工格柵能有效阻礙邊坡的剪切滑移帶的貫通，使得邊坡頂部產生裂縫，與未加筋邊坡相比，降雨導致邊坡頂部裂隙滲水造成的滑坡的可能性降低。 .

從圖8 可以看出土工格柵最大應變值均小于1%， 體現出土工格柵具有較高的抗拉強度拉筋應變開始是隨著土工格柵間距的增加而增加，土工格柵應變呈非線性分布。 楊廣慶等[12]研究發現土工格柵拉筋應變變形在施工階段較大，工后階段小，擋墻下部土工格柵拉筋端部應變隨填土高度變化較大， 因此應嚴格控制臨近墻面板的填土壓實度，以防擋墻端部的土工格柵拉斷。

圖8 土工格柵最大應變

從土工格柵與土體的相互作用看，隨著外力作用邊坡的產生變形， 引起土工格柵應變應變增大，由于土工格柵與土體的摩擦咬合作用，土工格柵周圍有更多的土體強度被調動， 相較于未加固邊坡，加筋邊坡在形成向連續貫通區發展的同時，土工格柵沿橫向作用，滑移面沿橫向發展，破壞時剪切屈服區域相對寬大， 加筋土擋墻邊坡相對未加固邊坡，有更強的整體性，滑移塊體相對較大，破壞區向坡體內部發展，土工格柵與土體共同作用以抵抗邊坡的滑移，從而致使邊坡穩定性提高[3]。

3 結論

（1）路堤表面沉降呈鞍馬狀，鋪設土工格柵能夠限制邊坡沉降，協調路堤不均勻沉降的作用，路堤沉降隨土工格柵間距減小而降低。 （2）進行加筋土擋墻加固后，邊坡的水平位移明顯降低，擋墻墻面的最大水平位移發生在擋墻腰部，側向位移曲線呈“凸肚”形態。 （3）加筋土擋墻能夠有效加固路堤邊坡，改善邊坡內部應力分布情況，由于土工格柵橫向作用，滑動面和滑塊體積均變大，從而提高邊坡穩定性。 （4）加筋土擋墻中的土工格柵應變呈非線性分布，土工格柵應變隨著格柵間距的增加而增大。