加筋格宾挡墙动力特性分析及设计要点

刘兆生，姚令侃，朱宏伟，刘 敏

（1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031 3.四川建筑职业技术学院，四川德阳 618000;4.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

加筋格宾挡墙动力特性分析及设计要点

刘兆生1，姚令侃2，朱宏伟3，刘 敏4

（1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031 3.四川建筑职业技术学院，四川德阳 618000;4.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

通过室内拉拔试验研究了格宾网筋土作用特性，利用振动台试验研究了加筋格宾挡墙的动力特性，分析了它在地震荷载下的破坏现象及其动土压力分布规律，并找出其在地震荷载下的最不利部位，提出了加强措施;利用Geo-Studio软件建立人工耦合有限元数值模拟模型，对比分析了振动台试验及相同尺寸的有限元数值模拟模型，研究加筋格宾挡墙的动力特性;分别建立了4种相同尺寸的模型，研究加筋格宾挡墙体系在整体受力体系中格宾挡墙及墙后加筋的影响。

格宾挡墙;格宾网;振动台;有限元;数值模拟

加筋格宾挡墙是一种新型的柔性挡墙结构，与传统挡墙相比较，加筋格宾挡墙通过回收坡角减小了占地，运输、施工均较方便。由于加筋格宾箱笼具有可植性和抗冲刷的性能，所以该结构可以美化环境，防止水土流失，能与周围环境达到和谐统一［1-3］。加筋格宾挡墙的拉筋与面墙网面为同一网面的无节点连接，能共同承受较大的垂直差异沉降和水平变形，极大地避免了传统的混凝土面板加筋挡土墙因变形不协调而产生的筋材失效、面板开裂等问题［4］。

自20世纪80年代格宾在国外发展成型以来，曾用于河道护坡、土体支挡、桥台修筑等。国外学者先后研究了格宾网的加筋土力学特性及加筋格宾挡墙的相关特性［5-6］。在国内，加筋格宾挡墙的应用及相关理论研究均较少，仅仅作为在防洪抢险等紧急情形下的临时构筑物使用，严重影响了加筋格宾挡墙在工程中的应用推广。因此，研究加筋格宾挡墙的作用机理及加筋格宾挡墙在动力作用下的力学特性对进一步推动这种新型结构的发展具有重要的意义。

1 格宾网及格宾挡墙室内试验

1.1 格宾网拉拔试验

格宾网作为一种加筋材料埋置在土体中，当其受到水平方向的拉伸荷载时，将产生一定的变形。由于上覆荷载的作用，格宾网的上、下界面上将同时产生摩阻力。在试验中，拉伸荷载可以由水平向千斤顶提供，格宾网的拉拔位移根据水平放置的百分表直接读出（图1）。法向压力p可以由垂直方向安置的千斤顶加压施加。试验在4种不同法向压力作用下进行，通过计算τ值，可以绘制出τ-d曲线，其中d为格宾网被拔出的位移值。当界面摩阻力达到某一定值后，格宾网位移急剧增大而拉力增大不明显，此时可以认为格宾网已经出现拔出破坏，试验即可停止。

图1 格宾网拉拔试验Fig.1 Schematic diagram of Gabion pulling-off test

在水平方向上用千斤顶缓慢施加拉力，每隔30 s记录千斤顶拉力读数和百分表度数。格宾网试样在被拔出的过程中，上下界面的摩阻力可以认为均匀分布，并与拉力平衡。格宾网试样的界面摩阻力可按式（1）计算:

式中:τ为界面摩阻力强度，kPa;Td为格宾网试样被拔的拉力，kN;L、B分别为格宾网试样埋在土内部分的长度和宽度。

拉拔试验最后的破坏形式表现为格宾网被整体拔出，除表面包塑材料由于滑移原因产生了擦痕外，格宾网整体完好，并未发生节点破坏或钢丝被拉断现象，如图2。

图2 格宾网拉拔试验破坏形式Fig.2 Distruction mode of Gabion pulling-off test

格宾网在风化花岗岩中的界面摩阻力试验结果如图3。在不同压实度下进行拉拔试验时界面上的法向应力p与极限平均摩阻力τ的关系，如图4。

图3 格宾网τ－d关系Fig.3 Gabion τ-d graph

图4 格宾网τ－p关系Fig.4 Gabion τ-p Diagram

由图3、图4容易得出格宾网在拉拔试验下的抗剪切强度指标，在上覆荷载10 kPa时，极限抗拉力即达到11 kPa，抗拉性能较好，格宾网与试验用土的综合内摩擦角φ值为10.76°，等效黏聚力值为8.75 kPa，抗剪强度较好。

作为一种加筋材料，格宾网本身具有很高的抗拉强度，与土工格栅相比抗拉性能较好，网孔密实，且其网孔连接形式为铰接，避免了土工格栅黏结节点容易失效的问题，且其单个结点的失效并不影响格宾网整体的结构性能，增加了整体的安全性。在格宾网被拔出后表层包塑材料产生严重的滑移擦痕，使里面的钢丝裸露在外，在实际应用中会使钢丝很快被锈蚀，因此格宾网在工程中的实际使用年限是一个亟待研究的问题。

1.2 加筋格宾挡墙振动台试验

1.2.1 试验概况

加筋格宾挡墙在地震荷载作用下的动态响应模型试验在振动台上进行，该振动台为西南交通大学道路与铁道工程系铁道部开放实验室的单向电液伺服驱动式大型地震模拟试验台，是国内最大的路基试验专用振动台［7］。

振动台试验模型箱内部的有效尺寸为3.5 m×1.5 m ×2.0 m（长 × 宽 × 高），模型箱的内壁和底部均铺设2 mm的厚橡胶膜进行整体衬垫，如图5、图6。振动台试验模型采用格宾加筋挡墙模型。格宾网是近年来广泛运用的一种新型材料结构，可根据工程设计要求组装成箱笼，并装入块石等填充料后连接成一体，用做堤防、路基防护等工程的新技术。

图5 格宾网挡墙模型Fig.5 Gabion retaining wall model diagram

图6 加筋格宾挡墙振动台模型Fig.6 Reinforced gabion retaining wall shaking table model

本次试验模型加筋格宾挡墙的坡度为1∶0.5。在模型框架的下部满铺40 cm土垫层，模拟整体路基，土垫层上再逐层铺设加筋格宾挡墙模型。格宾网网箱规格为30 cm×30 cm×75 cm，格宾网箱中充填块石，一共铺设5层，最下层土层和格宾网箱总长度为250 cm，宽度1.5 m。坡度按格宾网网箱对角线逐层铺设，格宾网箱与箱后土体中铺设的格宾网为一个整体，在模型的最上部铺设10 cm厚、长170 cm的纯土层模拟路面。

模型制作过程中埋设了加速度传感器和土压力传感器（图5），土压力传感器按接收盒布线位置从右至左对应模型中从下至上分别排列，加速度传感器按从下至上按 0.4 m 间隔以 A5，A6，A3，A4（中部），A7的顺序分别埋设。

1.2.2 模型参数及加载制度

本次加筋格宾挡墙振动台试验模型选用的格宾网为市场上购买的直径25 mm，孔径8×10 mm的普通镀锌格宾网，通过在装模过程中称量重量，得出级配碎石填充格宾挡墙后的容重为2.59 kN/m3，墙后填料为砂石土，通过筛分试验并计算分析知该土样不均匀系数为40.9，曲率系数为1.2，为级配良好土样。通过击实试验并分析试验数据结果绘制击实试验曲线图，得出该填料最大干密度为2.154 g/cm3，最优含水率为5.4%。通过拉拔试验测得本次加筋格宾挡墙振动台试验格宾网的综合内摩擦角为10.76°，等效黏聚力 c为 8.75 kPa。

每次振动台试验前需先进行时间长度大于30 s的高斯平稳白噪声激励微振试验（加速度峰值为0.03 g），观察模型动力特性的变化情况。模型试验通过控制台输入大瑞人工合成地震波（图7），分别进行小震（加速度峰值为0.085 g）、中震（加速度峰值为0.312 g）、大震（加速度峰值为 0.616 g）情形下的振动试验。

图7 大瑞人工合成地震波Fig.7 Darui synthetic seismic wave

1.2.3 振动台试验现象及分析

通过进行加筋格宾挡墙振动台试验及一系列材料试验，发现加筋格宾挡墙模型在中震时基本保持完好，路面部分出现细微裂缝，大震时路堤表面格宾挡墙与路堤结合处的上方填料表面出现最宽3～4 mm的部分张拉裂缝，最大的张拉裂缝离挡墙外边缘最远长90 cm，呈弧形，后部有25 cm长的范围影响严重，上表面出现最深2.5 mm的填土震陷，如图8。在振动进行完成后格宾墙体整体基本未发生较大位移，最大位移不到1 cm，在振幅较大时，靠近挡墙的部分表面填料随震动被甩出，格宾墙体上覆盖许多甩出的土体，格宾挡墙未出现筋材破坏现象，如图9。

图8 加筋格宾挡墙大震破坏Fig.8 Sketch drawing for reinforced gabion retaining wall damaged in the earthquake

图9 加筋格宾挡墙震后挡墙Fig.9 Sketch drawing for reinforced gabion retaining wall after the earthquake

如图10，在大瑞人工合成波作用下，随着震级的增加，各个测点的动土压力呈整体增大的态势，加筋格宾挡墙墙后动土压力整体分布呈底部和顶部大，中间小，且顶部比底部大的状态，尤其是在大震情况下尤为明显，顶部的值比底部大2.5倍左右，说明加筋格宾挡墙顶部加速度放大系数较底部的大。模型在小震情况下，格宾墙最大动土压力值约0.4 kPa，中震情况下，格宾墙最大动土压力值约0.7 kPa，大震情况下，格宾墙最大动土压力值约7.5 kPa。加筋格宾挡墙的组成部分格宾箱笼刚度较土质路基较大，且整体能够适应一定的变形量，有效地缓冲了地震力的作用，故在中震和小震情况下有效地阻止了土质路基在地震力作用下的位移。大震情况下，加筋格宾挡墙动土压力值骤然增加，说明加筋格宾挡墙在大震作用下发挥了挡墙及格宾网加筋的作用，有效的防止了路基的变形及破坏，作用明显。在大瑞人工合成波的作用下，加筋格宾挡墙的顶部格宾箱笼是动土压力最大的部分，在设计及施工中需要重点加强。

图10 加筋格宾挡墙动土压力分析Fig.10 Analysis chart for reinforced gabion retaining wall earth pressure

2 加筋格宾挡墙数值模拟分析

通过AutoCAD图形软件建立与加筋格宾挡墙振动台模型试验尺寸完全相同的数值模拟模型，采用实验室采集的振动台模型试验的材料参数，通过使用Geo-Studio软件中的Quake/W模块分别建立有限元静力及动力模型，输入DR原型地震波，对加筋格宾挡墙静力及动力反应进行有限元分析。采用设置历史记录点的形式模拟振动台试验中位移传感器及加速度传感器，历史记录点的位置与传感器在振动台模型中的位置一一对应，根据数值模拟计算的结果进行分析，在填土与加筋格宾网之间设置中间土层来模拟填土与加筋格宾的相互作用效果，通过Quake/W动力分析结果与Slope/W模块进行人工耦合计算加筋格宾挡墙模型在地震中的安全系数。将数值模拟结果与加筋格宾挡墙振动台模型试验相关结果进行对比分析，得出相关结论。

在加筋格宾挡墙数值中，材料位置及材料参数与加筋格宾挡墙振动台模型试验保持一致，模型边界采用弹塑性边界，土体本构模型采用库仑模型，地震波采用振动台试验所采用的大瑞人工合成波。加筋格宾挡墙和筋材的相关物理参数如表1。

表1 加筋格宾挡墙模型材料参数Table 1 Material parameters of reinforced gabion retaining wall model

有限元数值模拟位移云图如图11。大震最大位移云图［图11（a）］中，挡墙顶部位移最大，位移值为3.7 mm，最大位移部位为距离墙后0.4 H（H为墙高）到顶部边缘的地方，顶部裂缝为0.5 mm;中震最大位移云图［图11（b）］中，挡墙顶部位移最大，最大位移为1.9 mm，最大位移部位为距离墙后0.28 H到顶部边缘的地方，顶部最大裂缝为0.25 mm;小震最大位移云图［图11（c）］中，顶部位移最大为0.55 mm，最大位移部位为距离墙后0.31 H到顶部边缘的地方，顶部裂缝为0.035 mm，由此可知，加筋格宾挡墙在地震荷载作用下位移值较小，由于格宾挡墙刚度较高，重度较大，在地震荷载下基本未发生移动，限制了路堤的位移及裂缝，加筋格宾挡墙在中震、小震情况下表层破裂面为顶部距挡墙0.3 H左右的位置，符合朗金破裂面理论，在大震情况下破裂面向后推移至0.4 H的部位。由数值模拟分析可知挡墙顶部裂缝明显比底部的大，这是因为路堤整体受重力作用，下部受约束较大，且路堤上部的加速度在经放大作用后比底部的大，使路堤上部在地震荷载下受力最大，在地震荷载作用下最危险，需要着重加强。

加筋格宾挡墙在地震荷载下的动土压力值如图12，挡墙动土压力值呈现顶部与底部较大，中间较小的形式，动土压力值从小震到大震增加明显，在中震及大震作用下，挡墙顶部动土压力值放大作用明显，大震下最大动土压力值在5.8 kPa左右，数值模拟结果与振动台实验基本相符。

图11 有限元数值模拟位移云图Fig.11 FEM displacement cloud

图12 数值模拟加筋格宾挡墙动土压力Fig.12 Pressure Diagram for numerical simulation reinforced gabion retaining wall

为研究加筋格宾挡墙在地震荷载下究竟是挡墙起主要作用还是格宾网加筋起主要作用，通过将挡墙与加筋格宾分别设置，分析不同设计方案下的路堤在动力作用下的安全系数来说明问题。

文中通过5种设计方案研究加筋格宾网挡墙在9度地震荷载作用下的作用机理（图13）。设计方案1:路堤既不设置挡墙也不加筋;设计方案2:路堤加筋不设置挡墙，只在路堤内部加筋;设计方案3:路堤只设置挡墙不加筋;设计方案4:路堤设置挡墙，挡墙后部格宾箱笼的后侧满铺格宾;设计方案5:路堤设置挡墙，挡墙后部箱笼后侧加筋，上部加筋满铺，下部加短筋。

图13 加筋格宾挡墙作用机理研究Fig.13 Study on mechanism of reinforced gabion retaining wall icon

设计方案1在地震荷载下的安全系数为0.874，滑面为顶部到下部的贯通滑面，设计方案2在地震荷载作用下其安全系数为1.065，滑面从顶部到中下部滑出，这两种方案均不满足路堤抗震设计规范，路堤较危险。而设计方案3～设计5安全系数均大于1.15，滑面均为顶部到中下部的贯通滑面，满足路堤抗震设计要求。

通过不同设计方案所得到的安全系数进行对比分析可以明显看出在路堤中设置加筋格宾挡墙格宾挡墙起主要作用，路堤单独设置格宾挡墙而墙后不加筋已能基本满足抗震要求，挡墙的抗震作用明显。而格宾加筋能够一定程度上提高路堤在地震荷载下的整体稳定性，但其加强效果有限，仅仅加筋不能使路堤满足抗震要求，在和格宾挡墙一起设置时，墙后加筋能一定程度上提高格宾挡墙的抗震整体效果。因路堤整体上部地震加速度较大，动土压力也较大，所以上部的加筋格宾对格宾挡墙也起到了一定的锚固作用，底部的加筋格宾作用不大，如设计方案4与设计方案5安全系数基本相差不多，所以加筋格宾挡墙墙后加筋可以进行优化，不必要进行满铺设计。

3 结论

1）加筋格宾挡墙在地震荷载作用下抗震性能好，适宜在高烈度地震区进行推广使用。

2）格宾网作为加筋材料其性能明显优于土工格栅，极限抗拔力较高，综合内摩擦角及等效黏聚力也较高，作为加筋材料性能优异。

3）加筋格宾挡墙在中震及小震情况下符合朗金破裂面理论，破裂面在路堤顶部位于距挡墙0.3 H左右的位置，在大震情况下破裂面位置向后推移至0.4 H的位置，挡墙顶部为最危险部位，需要在设计及施工中重点加强。

4）加筋格宾挡墙因格宾挡墙刚度及重度均较大，材料参数较好，在地震荷载作用下，有效的限制了路堤的滑移，但路堤靠近挡墙的部位在地震荷载下容易发生挤压变形破坏。

5）加筋格宾挡墙在地震荷载作用下，格宾挡墙起主要作用，墙后加筋起次要作用，墙后加筋能在一定程度上提高路堤整体的抗震性能，并对格宾挡墙起到一定的锚固作用。格宾挡墙墙后上部加筋效果较下部加筋效果明显，在设计中可以进行优化，墙后不必要满铺格宾，以节约筋材。

（References）:

［1］ 杨乃彬，龙浪波.新型绿色加筋格宾挡墙的特点及其应用［J］.四川建筑，2010（2）:98-102.

YANG Nai-bin，LONG Lang-bo.New green features reinforced gabion retaining wall and its application.［J］.Sichuan Construction，2010（2）:98-102.

［2］ 王维，彭勇登，杜勇立，等.加筋格宾组合结构新技术工程应用研究［J］.中外公路，2009，29（5）:18-22.

WANG Wei，PENG Yong-deng，DU Yong-li，et al.Composite structure reinforced gabion engineering application of new technologies［J］.Journal of China＆ Foreign Highway，2009，29（5）:18-22.

［3］ 黄向京，王祥，王维，等.双绞合六边形金属网加筋格宾挡墙地震动力特性试验研究［J］.公路工程，2009，34（5）:6-9.

HUANG Xiang-jing，WANG Xiang，WANG Wei，et al.Twisted together reinforced gabion hexagonal wire mesh wall experimental study on earthquake dynamics［J］.Highway Engineering，2009，34（5）:6-9.

［4］ 李昀.格宾加筋挡土墙动力特性试验研究及数值分析［D］.长沙:中南大学，2010.

［5］ 张志清，苏燕，金江.黄土加筋路堤试验路段应力变形分析［J］.铁道建筑，2007（3）:58-61.

ZHANG Zhi-qing，SU Yan，JIN Jiang.Reinforced embankment test section of loess stress and deformation analysis［J］.Railway Construction，2007（3）:58-61.

［6］ Tseng K H，Fu J J.A stability analysis of soil gabion retaining wall on riverbank［C］//Proceedings of the 19th International Offshore and Polar Engineering Conference.Osaka，Japan:安福健祐，日本建築学会，2009.

［7］ 徐光兴，姚令侃，高召宁，等.边坡动力特性与动力响应的大型振动台模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（3）:625-632.

XU Guang-xing，YAO Ling-kan，GAO Zhao-ning，et al.Slope dynamic characteristics and dynamic response of large-scale shaking table model test［J］.Rock Mechanics and Engineering，2008，27（3）:625-632.

Feature Analysis and Design Discussion for Reinforced Gabion Retaining Wall

LIU Zhao-sheng1，YAO Ling-kan2，ZHU Hong-wei3，LIU Min4
（1.The Third Survey＆ Design Institute of Railway Co.Ltd.，Tianjin 300142，China;
2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;3.Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，Sichuan，China;
4.The fourth Survey ＆ Design Institute of CC Co.Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，China）

The properties of gabion mesh Role properties are examined by the indoor pull-out test，the dynamic features of reinforced gabion retaining wall analysis are studied through shaking table test，analyzing the destruction under seismic loading and the failure law of its ground breaking pressure，to find out the worst part of reinforced gabion retaining wall under seismic loading and provide Related measures for enforcing the wall.Geo-Studio software，using an artificial coupling finite element numerical simulation model，compares analytically the results of shaking table model test and the finite element numerical simulation with the same size，to further study the dynamic characteristics of reinforced gabion retaining wall，Study reinforced gabion retaining wall system in the overall force system gabion retaining wall and the wall reinforcement effects.

gabion retaining wall;gabion mesh;vibration table;finite element;numerical simulation

U214.83

A

1674-0696（2011）06-1353-06

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.22

2011-06-20;

2011-07-15

铁道部科技研究开发计划课题（2008G010-A）

刘兆生（1986-），男，新疆阿克苏人，硕士研究生，主要从事道路与铁道工程相关的研究。E-mail:liuzhaosheng@home.swjtu.edu.cn。