土工格柵加筋土擋墻在邊坡治理中的應用研究

0 引言

土工格柵加筋土擋墻結構是一種良好的邊坡治理方式之一，目前已得到了廣泛的應用，針對加筋土擋墻的加筋方式、變形特點和影響因素，許多研究人員通過試驗和數值模擬等方法開展了一系列研究。

甄天宇等[1]基于有限元強度折減法對頂部基礎荷載作用下加筋土擋墻開展了穩定性分析，并探究了墻頂基礎荷載寬度與偏移距離對擋墻破壞模式的影響。蔡博淵等[2開展了振動臺縮尺試驗，并考慮到了地震作用的影響，對加筋土擋墻臺階效應進行了分析。王恒亮等[3依托極限平衡理論，研究了預制模塊式空心面板加筋土擋墻的面板連接穩定性影響規律，并建立了相應的穩定性分析方法。梁安等[4采用有限元軟件建立了加筋土擋墻二維分析模型，并考慮了降雨的影響，分析了不同降雨強度條件下的加筋土擋墻穩定性。靳靜等[5基于擋墻位移分區理論和有限差分數值模擬，研究了不同筋材布設方式對加筋土擋墻動力響應的影響。

在前人研究的基礎上，本文依托某邊坡治理案例，采用了有限元軟件建立分級加筋土擋墻數值仿真模型，分析了土工格柵加筋土擋墻的性能，探究了影響擋墻變形的主要因素，相關研究成果可為相似工程的設計提供一定的借鑒與指導意義。

1工程概況

本文依托某邊坡工程，該邊坡所處區域地形較為復雜，存在較大的自然地面起伏，自然坡度約為 1～45^° ，局部有陡崖。擋墻最高為 40m ，分4級臺階設置，其中每級高度為 10m ，錯臺寬度為 2m ，坡度 70^° ，采用土工格柵進行加筋。加筋土擋墻斷面如圖1所示。

圖1加筋土擋墻斷面示意

2數值模型建立

2.1 模型選取

土體具有黏彈塑性，但模型參數測定較為復雜，非線性模型中忽略了應力路徑的影響，土體屈服后仍能較為有效的模擬其非線性變形特點，且模型參數確定較為簡單，應用方便，因此在本篇文章中，采用摩爾-庫倫非線性模型對土體進行模擬。

土工格柵是一種抗拉材料，具有較高的抗拉強度和模量，但抗彎強度較低，擋墻運營過程中主要承受拉力，因此采用一維線彈性桿單元進行模擬。

2.2模型參數

根據工程實際情況，采用有限元數值模擬軟件建立加筋土擋墻數值仿真模型，擋墻總高度為 40m ，共分4

級臺階設置，每級墻體高度為 10m ，臺階寬度為 2m ，坡度約為 70^° ，強夯層厚度設為 3m 。筋材方面，將格柵間距設為0.4m，由填土分層碾壓生成。

2.3邊界與網絡劃分

邊界條件方面，將模型底部設為固定約束條件，頂部設為自由約束條件，四周設為法向約束條件。在模擬過程中，暫不考慮外荷載和孔隙水壓力的作用，僅考慮土體自重荷載。根據室內試驗和現場試驗結果，對各材料計算參數進行確定。加筋土擋墻數值計算參數如表1所示。

表1加筋土擋墻數值計算參數

網格劃分方面，對墻踵和墻趾等位置進行了局部網格加密處理，共劃分出312095個有限元網格，該加筋土擋墻的網格劃分如圖2所示。

圖2加筋土擋墻網格劃分模型

3結果分析與討論

3.1 墻面位移

3.1.1加筋土擋墻墻面水平位移沿高度分布

加筋土擋墻墻面水平位移沿高度分布如圖3所示。從圖3中可以看出，相較于未加筋工況，采用土工格柵加筋后擋墻面板水平位移出現了明顯的減小，未加筋工況下擋墻面板水平位移峰值約為 39.8cm ，土工格柵加筋工況下擋墻面板水平位移峰值約為 9.7cm ，較未加筋工況降低了 75.6% 。由此證明土工格柵在控制擋墻面板水平位移方面起到了較為顯著的作用。

未加筋工況下，隨著擋墻高度的降低，擋墻面板水平位移持續增大，水平位移與擋墻高度呈負相關關系。土工格柵加筋工況下，隨著擋墻高度的降低，擋墻面板水平位移呈現先增后減的變化規律，最大水平位移出現在約 1/3 墻高位置處。

圖3墻面水平位移沿擋墻高度分布

3.1.2加筋土擋墻墻面豎向位移沿擋墻高度分布

加筋土擋墻墻面豎向位移沿擋墻高度分布如圖4所示。從圖4可以看出，隨著擋墻高度的降低，2種工況下擋墻面板豎向位移呈現先增后減的變化規律，最大豎向位移出現在擋墻中上位置處。

兩種工況相比，采用土工格柵加筋后擋墻豎向位移出現了明顯的下降。未加筋工況下，擋墻豎向位移峰值達到了 8.7cm ，采用土工格柵加筋后擋墻豎向位移峰值為 4.8cm ，較未加筋工況降低了 44.8% ，說明其對擋墻變形的改善效果較為顯著。

綜上所述，擋墻水平位移變形明顯大于豎向位移變形。采用土工格柵加筋后，由于筋材的抗拉作用，在土體自身重力的作用下，筋材與土體形成了一種復合材料，增加了其抗變形性能，使得擋墻水平位移和豎向位移變形均出現了較為明顯的改善，起到了良好的加筋效果。

3.2基底壓力

擋墻基底壓力分布如圖5所示。從圖5可以看出，隨著離墻趾水平距離的增加，擋墻基底壓力整體表現為先逐漸增大后保持穩定的變化規律，呈現為非線性。相比之下，加筋工況和未加筋工況未出現較為明顯的差異，主要差異體現在墻趾位置處，加筋工況下基底壓力略大于未加筋工況。

3.3墻體水平位移的因素影響分析

3.3.1水平位移隨墻后填土黏聚力變化

墻體面板水平位移隨墻后填土黏聚力的變化如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著墻后填土黏聚力的增加，墻面最大水平位移逐漸減小，墻后填土黏聚力與擋墻水平位移峰值呈現負相關關系。

且隨著墻后填土黏聚力的增加，擋墻水平位移下降速率逐漸降低，尤其是當墻后填土黏聚力大于 70kPa 后，隨著黏聚力的增加擋墻水平位移峰值幾乎無明顯的減小。鑒于此，在實際工程中，應采用黏聚力大于70kPa的土體進行墻后回填。

圖4墻面豎向位移沿擋墻高度分布

圖5擋墻基底壓力分布

圖6墻面水平位移隨填土黏聚力變化

圖7墻面水平位移隨填土內摩擦角變化

圖8墻面水平位移隨強夯層厚度與彈性模量變化

3.3.2水平位移峰值隨墻后填土內摩擦角變化

墻體面板水平位移隨墻后填土內摩擦角變化如圖7所示。從圖7可以看出，隨著墻后填土內摩擦角的增加，擋墻面板水平位移峰值逐漸下降，且下降速率逐漸減小，曲線呈現拋物狀。當填土內摩擦角大于 35^° 后，隨著內摩擦角的增加擋墻面板水平位移峰值下降幅度較小，因此在實際工程中，可采用內摩擦角較大的土體進行回填，盡可能保障土體內摩擦角大于 35^° 。

3.3.3水平位移峰值隨強夯層厚度、彈性模量變化

擋墻面板水平位移峰值隨強夯層厚度和彈性模量變 化如圖8所示。從圖8可以看出，增加擋墻強務層厚度 和彈性模量均能改善擋墻面板水平位移變形，使得擋墻 面板水平位移峰值降低。

同一強夯層厚度工況下，隨著強夯層彈性模量的增加，面板最大水平位移逐漸減小，但減小速率逐漸降低，曲線逐漸平緩。當彈性模量超過 300kPa 后，隨著彈性模量的增加面板水平位移差異不大。

同一強夯層彈性模量工況下，隨著強夯層厚度的增加擋墻面板水平位移逐漸下降，且隨著彈性模量的增加各工況差異逐漸增大，彈性模量不超過 100kPa 時各工況差異不大。鑒于此，若地基為軟弱土層，為提高擋墻的抗滑能力，增加整體穩定性，應對擋墻底部填土進行碾壓，采用碎石、砂礫等材料進行換填。

綜上所述，填土黏聚力、填土內摩擦角、強夯層厚度、彈性模量均對土工格柵加筋土擋墻面板水平位移峰值存在一定的影響。但填土黏聚力和內摩擦角均存在閾值，當填土黏聚力超過70kPa或內摩擦角大于 35^°"后，兩者對擋墻水平位移影響較小。強夯層彈性模量超過 300kPa 后，擋墻水平位移差異不明顯。而當彈性模量較小時，不同強夯層厚度對擋墻水平位移的影響亦不大。

4結論

本文依托某加筋土擋墻邊坡工程案例，采用有限元數值模擬軟件開展了數值仿真研究，分析了土工格柵加筋土擋墻的變形特點和加筋性能，并對擋墻位移的主要影響因素進行了探究。得出主要結論如下：

1）土工格柵加筋工況下，隨著擋墻高度的降低，面板水平位移呈現先增后減的變化規律，最大水平位移出現在約1/3墻高位置處。

2）擋墻水平位移變形明顯大于豎向位移變形，采用土工格柵加筋后，擋墻水平位移和豎向位移變形均出現了較為明顯的改善，起到了良好的加筋效果。

3）隨著墻后填土黏聚力的增加，墻面最大水平位移逐漸減小，墻后填土黏聚力與擋墻水平位移峰值呈現負相關關系。當墻后填土黏聚力大于70kPa后，隨著黏聚力的增加擋墻水平位移峰值幾乎無明顯的減小。

4）增加擋墻強夯層厚度和彈性模量均能改善擋墻面板水平位移變形，使得擋墻面板水平位移峰值降低。當彈性模量超過 300kPa 后，隨著彈性模量的增加面板水平位移差異不大。

參考文獻

[1]甄天宇，肖成志，王子寒，等.頂部基礎荷載作用下加筋土擋墻的穩定性分析[J].河北工業大學學報，2024，53（6）：92-100.

[2]蔡博淵，蔡曉光，李思漢，等.基于振動臺試驗的加筋土擋墻臺階效應分析[J].巖石力學與工程學報，2024，43（12）：3108-3120.

[3]王恒亮，黃亦佳，郭志華，等.模塊式空心面板加筋土擋墻面板連接穩定性研究[J].河北工程大學學報（自然科學版），2024，41（3）：1-7.

[4]梁安，黃明艷，劉金華，等.降雨強度與降雨歷時對返包式加筋土擋墻穩定性的影響[J].科技與創新，2024（9）：16-20.

[5]靳靜，張森，李智廣，等.筋材布設方式對加筋土擋墻動力響應的影響[J].河北科技大學學報，2024，45（1）：82-90.