錨定板對返包式加筋土擋墻性能影響數值模擬研究

林展展 陳寶林 黃 陳

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

加筋土支擋結構作為土工加筋技術運用于工程實踐的一種主要模式,較傳統重力式支擋結構具有抗震性能好、圬工少、占地少、適用范圍廣、作業效率高、經濟效益顯著等優點[1-2]。隨著1965年在法國建立起世界上第一座加筋土擋墻以來,加筋土擋墻就以其良好的經濟效益在各國競相發展起來[3]。我國于20世紀70年代開始對加筋土擋墻進行研究并取得豐碩成果[4-5]。據不完全統計我國已經建成加筋土擋墻上千余座,已經廣泛應用于公路、鐵路、水利、市政、煤礦等行業[6-7]。加筋土擋墻主要由筋材、面板和填料構成,通過埋設高抗拉強度的筋材,達到增強土體強度的效果[8]。隨著工程實踐經驗技術的提高,對加筋土擋墻各方面的理論研究愈發顯得急迫和重要,例如加筋筋材末端加設錨定板對加筋土擋墻各方面力學性能的影響,加設錨定板帶來何種錨固效應,其錨固性能的發揮程度如何等方面的內容仍需要進一步的研究。

介于在加筋體筋材末端加設錨定板的相關研究較少,本文以某返包式加筋土擋墻為原型,通過有限差分軟件FLAC3D進行建模分析,探討錨板的加設對加筋土擋墻各方面性能的影響,從而得到錨定板的錨固效應。

1 工程概況

本文以某高速公路路基返包式加筋土擋墻作為計算原型,該擋墻由地基、面板、包裹碎石、填料、土工格柵和錨定板構成,錨定板設置于土工格柵末端。其中,面板高度為6.0 m、寬度為0.3 m,擋墻坡度為1∶0.1,背面坡度為1∶1.5。面板材料為現澆鋼筋混凝土,其中混凝土強度為C35,重度為25 kN/m3,鋼筋采用HRB400。墻后填料為無黏性卵石,重度23 kN/m3,內摩擦角35°,碎石重度23 kN/m3,內摩擦角為35°。土工格柵為高密度聚乙烯單向土工格柵,鋪設長度6.0 m,鋪設豎向間隔0.3 m,鋪設總層數為20層,土工格柵極限抗拉強度100 kN/m。該返包式加筋土擋墻示意見圖1。

圖1 返包式加筋土擋墻(尺寸單位:m)

2 數值模型建立

2.1 幾何模型建立

介于地基和包裹碎石剛度較大,在數值模擬中將其本構模型選用為線彈性模型,而土體本構模型選用彈塑性Mohr-Coulomb模型。模型建立完成網格圖見圖2,其中藍色部分是包裹碎石,紅色部分是土工格柵。

圖2 返包式加筋土擋墻網格圖

模型中土工格柵采用FLAC3D中的結構單元geogrid進行模擬,由于geogrid單元只能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載,所以在本次模擬中通過讓geogrid與土單元網格直接發生剪切摩擦作用的方式來實現自身加筋性能模擬。錨板采用pile結構單元進行模擬。考慮到geogrid本身不能承擔且不能傳遞彎矩,數值模擬設置中對pile與geogrid通過節點與節點之間通過鉸接的形式進行連接。碎石返包采用碎石單元與填料單元設立interface接觸面,從而模擬相應接觸面的摩擦與剪切效應。其中面板與填料之間的接觸面力學參數法向剛度為1×108N/m,切向剛度為4×106N/m,內摩擦角為25°。

2.2 參數確定

模型中重要的結構單元包括填料、面板、地基和土工格柵,通過現場參數測試及相關資料調研[9-10],模型各結構單元的基本參數設定見表1。

表1 模型結構單元基本參數

2.3 建模流程

為對比分析筋材末端錨板的性能,數值模擬中分別就加錨板及未加錨板2種情況進行建模計算,并就影響錨板性能的因素,如土工格柵長度、土工格柵間距,以及填料摩擦角等因素討論其對錨板性能的影響。

模型的建立步驟包括:①地基初始應力平衡;②對每一層格柵返包加設錨板并填土;③分層填筑并計算至20層完成;④激活面板,并以換算的均布荷載60.8 kPa作為上部路基、路面、車輛荷載施加于頂層填土上。⑤計算完成后通過編輯Fish語言對加筋土擋墻相應數據進行提取。模型填筑完成后見圖3。

圖3 返包式加筋土擋墻填筑完成圖

3 結果分析

3.1 不同格柵長度下錨定板對擋墻的影響

3.1.1對面板水平位移的影響

格柵長度主要分為3,4,5,6 m 4種工況,填料內摩擦角的范圍為16°～35°之間,不同格柵長度下有無錨定板對擋墻面板水平位移的影響見圖4。該部分工況均控制格柵間距為0.3 m。

圖4 面板水平位移隨填料內摩擦角變化曲線

由圖4可見,同一格柵長度下存在錨定板時的面板水平位移均小于未設置錨定板時的水平位移,表明錨定板對控制加筋土擋墻面板水平位移存在一定的抑制作用。同一格柵長度下,隨著填料內摩擦角的增大,錨定板對面板水平位移的作用效果不斷減弱,有無錨板時的水平位移不斷趨于相同,可見當填料內摩擦角減小時更有利于錨板發揮其錨固作用。當格柵長度為6 m時,當填料內摩擦角小于18°時,錨板的作用效果表現較為明顯,在16°時錨板的存在使得面板水平位移減小約4 cm,當摩擦角繼續降低時,擋墻發生整體破環。而當格柵長度分別為5,4,3 m時,當填料內摩擦角分別小于20°,25°和30°時,錨板的作用效果表現較為顯著。

為研究在不同筋長下錨板的加固效果隨摩擦角的變化規律,定義相同摩擦角下,錨固相對位移(有無錨定板時面板水平位移差值)與未加錨定板的墻體位移的比值為加固系數,即

式中:k為加固系數;l0為未設錨板時面板位移,cm;l1為設置錨板時面板位移,cm。

圖5為不同格柵長度時加固系數隨填料內摩擦角變化曲線。

由圖5可見,不同格柵長度時,加固系數均隨填料內摩擦角的增大而減小,最后趨于穩定。當加固系數相同時,格柵長度越大所對應的填料內摩擦角越小;而同一填料內摩擦角時,格柵長度越大所對應的加固系數越小。在一定范圍內,格柵長度越大,填料內摩擦角越大,對約束加筋土擋墻面板水平位移效果越顯著,而錨定板的增設其功能主要發揮在當填料內摩擦角較小時。

格柵長度在6,5,4,3 m時,加固系數發生陡增時對應的摩擦角分別為18°,20°,25°,30°,相應格柵長度下擋墻的破環摩擦角分別為15°,16°,18°,20°。通過比較加固系數陡增點所對應的摩擦角度數及相應格柵長度下擋墻破壞的摩擦角度數可得:在該擋墻高度下,筋長6 m和5 m時的擋墻由于筋材較長,自身錨固抗拔力較大,設置錨板后加固性能發揮有限;而筋長為3 m的擋墻由于筋長較短,墻體的整體破壞先于錨板錨固作用力的發揮,使其錨固作用發揮有限;當筋長長度為4 m時擋墻相對其他筋長,錨板的錨固性能在摩擦角降低時更能充分發揮。

3.1.2對格柵應力的影響

為研究界面力學狀態,現對土工格柵拉力隨填料內摩擦角的變化進行分析,結果見圖6。由圖6可知,不同格柵長度下格柵最大拉應力均隨著填料內摩擦角的增大而減小;同一填料內摩擦角下格柵最大拉應力隨著筋長的增大而減小;不同格柵長度時總體呈現出有錨板時格柵的拉應力小于無錨板時拉應力的趨勢,但兩者差值較小。格柵的最大拉應力出現在筋長6 m,填料摩擦角16°時,其值約為20 MPa。當格柵長度為4 m時,其格柵最大拉應力極大值大于格柵長度為3 m和5 m時,表明在此擋墻高度下鋪設4 m長度的土工格柵更有利于發揮格柵拉力的使用率。

圖6 格柵應力隨內摩擦角變化曲線

3.2 不同格柵間距下錨定板對擋墻的影響

為探討不同格柵間距時,有、無錨定板對返包式加筋土擋墻性能影響,在土工格柵長度為6 m條件下進行分析,分析內容主要為面板水平位移及格柵最大拉應力。

3.2.1對面板水平位移的影響

當土工格柵間距分別為0.3,0.6,1.2 m時,有、無錨定板條件對加筋土擋墻面板水平位移影響見圖7。

圖7 不同格柵間距下錨板對水平位移影響示意圖

由圖7可知,面板水平位移均隨填料內摩擦角的增大而減小。當格柵豎向間距為0.3 m時,如前所述,錨板的增設幾乎未影響原有結構的力學性能;格柵豎向間距0.6 m,摩擦角大于20°時,錨板的設置幾乎不影響面板的水平位移,當填料摩擦角小于20°時,錨板的設置與否對面板水平位移的影響開始逐步顯現,其中當填料摩擦角降為16°時,有無設置錨板對應的墻面水平位移差約40 cm,當格柵豎向間距1.2 m時,錨板的設置與否對擋墻水平位移的影響不明顯。由此可知,錨板的設置對格柵豎向間距為0.3,1.2 m的面板水平位移幾乎沒有改善,而對間距0.6 m面板在摩擦角小于20°時的面板水平位移降低效果顯著。但在上述3種間距下,錨板的設置均未增大墻體最終破壞時所對應的摩擦角。

3種格柵豎向間距下,加固系數隨摩擦角的變化規律見圖8。

圖8 不同格柵間距下加固系數隨摩擦角變化

由圖8可知,當格柵間距為0.3 m和0.6 m時加固系數隨著摩擦角的減小呈先緩慢增加、后陡增趨勢。格柵間距0.3 m和0.6 m情況下加固系數陡增點對應摩擦角分別為18°,20°。間距1.2 m時加固系數幾乎不變。由此可見錨板的增設在填料內摩擦角較小且格柵間距較小時對擋墻穩定性有一定的效果,而當格柵間距為0.6 m時改善效果更為顯著。

3.2.2對格柵應力的影響

不同格柵豎向間距下格柵拉力隨摩擦角變化的規律見圖9。

圖9 格柵最大拉應力隨摩擦角變化

由圖9可知,格柵最大拉應力隨填料內摩擦角的減小而增大,隨筋材豎向間距的增大而增大,且總體呈現加設錨板時的格柵拉應力小于不加設錨板的趨勢。格柵的最大拉應力出現在格柵豎向間距0.6 m,填料內摩擦角16°時,其值約為33 MPa,即格柵拉力為66 kN/m,約為格柵極限抗拉強度的66%,相較于其他間距布置的擋墻,間距0.6 m的格柵布置,格柵拉力的發揮率更高。

4 結語

本文針對錨定板的增設對返包式加筋土擋墻的影響進行數值模擬研究,主要探究了土工格柵長度、間距及填料內摩擦角等參量對擋墻面板水平位移、加固系數和格柵最大拉應力的影響,得到主要結論如下。

1) 錨定板的增設有利于減小面板的水平位移,增大加筋土擋墻的穩定性,但該有益效果隨填料內摩擦角的增大不斷減小。當格柵長度分別為6,5,4,3 m時,對應填料內摩擦角分別小于18°,20°,25°,30°時,錨板的作用效果較為顯著。

2) 當格柵長度為6,5 m時,由于筋材長度較大,自身錨固抗拔力較大,設置錨板后加固性能發揮有限;筋長為3 m的擋墻由于筋長較短,墻體的整體破壞先于錨板錨固作用力的發揮,使其錨固作用發揮有限;而筋長為4 m時錨板的錨固性能發揮更為充分。

3) 通過不同格柵間距條件下錨板的設置對擋墻性能影響可知,格柵豎向間距為0.3,1.2 m時面板水平位移及格柵最大拉應力改善有限,格柵間距為0.6 m時,錨板的增設在填料內摩擦角較小時對擋墻穩定性具有較好的改善效果。