云桂铁路典型加筋土挡墙工作性能研究

杨国涛

(中国铁路总公司科技管理部，北京100844)

云桂铁路典型加筋土挡墙工作性能研究

杨国涛

(中国铁路总公司科技管理部，北京100844)

针对云桂(昆明—南宁)铁路一典型整体面板返包式加筋土挡墙，建立概化分析模型，利用数值分析软件，从墙体变形特征和格栅应力分布规律2方面讨论了加筋土挡墙的工作性能和工作机理。研究结果表明:填筑完成时墙体刚度相对较小，呈现“鼓胀式”变形模式，筋材底层格栅拉应力较小，最大值发生在中下部，且筋带最大拉应力的连线即为加筋区的潜在破裂面，基本上呈线性分布;在施加面板后，格栅的最大应力逐渐上移，在附加荷载作用下墙体位移继续增大，且附加荷载对墙体上部位移影响较为明显，对下部影响较小，其中最大位移增量发生在墙顶处;墙体填筑完成时沿填土表面沉降曲线出现了2个极值点，分别位于包裹碎石袋处以及加筋带的末端。

云桂线;加筋土挡墙;数值分析;变形特征;应力

我国正在进行大规模的高速铁路和高速公路建设。加筋土挡墙作为典型的柔性支挡结构［1-3］，在公路建设中得到了大规模使用，但在高速铁路领域的应用则甚少［4-8］。原因可能有以下2个方面:①目前针对加筋土挡墙的工作性能和工作机理的研究仍然不够深入［9］;②高速铁路对路基变形的要求比较严格［10］。为了揭示加筋土挡墙的工作性能和工作机理，本文选取云桂线的一处典型的整体面板返包式加筋土挡墙作为工点开展研究。

1　工程概况

所选工点的整体面板返包式加筋土挡墙见图1，土工格栅见图2，细部结构见图3。

图1　整体面板返包式加筋土挡墙(单位:cm)

该挡墙的面板高度为7.5 m，顶部和底部宽度均为0.3 m。前侧和背面面板坡度均为1∶0.1。面板材料为现浇钢筋混凝土，采用C40混凝土、HRB400钢筋。面板重度为25 kN/m3，截面刚度为相同截面混凝土刚度的80%，其中预制块的尺寸为2.0 m×1.2 m× 0.15 m。面板背面填料为砂砾石，重度22 kN/m3，内摩擦角35°。土工格栅为高密度聚乙烯单向土工格栅，铺设长度8.0 m，铺设竖向间隔0.3 m，铺设层数为25层，土工格栅抗拉强度100 kN/m。钢轨为60 kg/m，轨枕1 667根/km，基床表层填料重度23 kN/m3，道床坡度1∶1.75。

图2　土工格栅

图3　细部结构示意(单位:m)

2　计算模型

基于上述工程概况建立概化分析模型。挡墙的拉筋布置见图4，整体面板返包式加筋土挡墙模型见图5。计算参数见表1。模型的坡度为1∶0.1，面板宽0.3 m、长1.0 m、高7.5 m。模型由地基、填料、土工格栅、连接件、面板构成，可分别采用实体单元与结构单元模拟。地基采用Elastic模型，设置较大模量，模拟刚性地基。填料模型采用传统Mohr-Coulomb强度准则以及基于Duncan双曲线模型的Mohr-Coulomb强度准则。土工格栅采用Geogrid结构单元模拟，可以抵抗薄膜荷载但不能抵抗弯曲荷载。面板采用实体单元建立，选用弹性模型。通过数值分析模拟填筑过程，步骤为:①建立地基;②铺设第1层格栅;③填筑碎石及填料;④重复第①～③步，填筑25层;⑤建立面板，施加上部荷载。

图4　挡墙的拉筋布置

图5　整体面板返包式加筋土挡墙模型

表1　计算参数

3　计算结果

3.1墙体变形特征

为研究填筑完成和施加面板2种情况下墙体的变形特征，沿墙体面板自上而下选取25个水平位移监测点，沿模型横断面方向选取50个竖向沉降监测点。挡墙面板水平位移沿高度的分布见图6，填土表面、路基面沉降横向分布见图7。

图6　挡墙面板水平位移沿高度分布

综合分析图6和图7可知:填筑完成时墙体刚度相对较小，水平呈现“鼓胀式”模式，最大位移发生在墙体下部，约为3.0 cm，相对较小，主要是由于格栅刚度相对较大且布置密集，对填土变形的约束能力较强;施加面板后，在附加荷载作用下墙体水平位移继续增大，且附加荷载对墙体上部位移影响较为明显，对下部影响较小，最大位移增量发生在挡墙顶部，约为1.5 cm。对于填土表面、路基面来讲，墙体填筑完成时沿填土表面沉降曲线出现了2个极值点，分别位于包裹碎石袋处以及加筋带末端，前者沉降大于后者，同时加筋区内部、外部的沉降均匀递减。在附加荷载作用下，路基表面的最大沉降值发生在距面板水平距离＞3 m处，其值约为2.5 cm。

3.2格栅应力状态

为研究填筑完成和施加面板2种情况下格栅的应力状态，在第1，4，15，18，22，25层格栅沿格栅长度方向均匀布设25个监测点，得到的拉筋拉力分布见图8。

图7　填土表面、路基面沉降横向分布

图8　拉筋拉力分布

由图8可知:在填筑完成时，格栅的最大拉应力约为3.82 MPa，格栅拉力为7.64 kN/m，约为极限抗拉强度的7.64%。格栅界面弹簧全部处于非屈服状态，表明格栅界面提供了足够锚固抗拔力，未发生锚固不足、格栅拉出现象。在施加面板后，格栅最大拉应力为5.76 MPa，格栅拉力为11.52 kN/m，约为极限抗拉强度的11.52%，表明正常工作状态下格栅的抗拉强度利用率相对较低。与填筑完成情况相似，格栅与填料界面仍处于稳定状态。

格栅拉应力沿筋长分布见图9。可知:在填筑完成后，筋材底层(第1层)格栅拉应力较小，距离面板﹥1 m时拉力几乎为0，原因为土拱效应以及基底约束的影响;格栅拉应力最大值分布在第4层，且面板返包处格栅拉应力最大并随着与返包碎石的距离增大而减小;第15，18，22，25层格栅拉应力呈现2个峰值，第2个峰值点随着层数的增大逐渐远离返包碎石，其连线构成加筋区潜在内部破裂面，基本上呈线性分布。施加面板后的格栅应力大于填筑完成时的格栅应力，并且格栅最大拉应力在上覆荷载作用下转移到上部，但底层(第1层)格栅拉应力仍然较大部分为0。与填筑完成时相比，同层格栅最大应力出现的位置有偏离墙体的趋势。

图9　格栅拉应力沿筋长分布

4　结语

针对云桂铁路一典型整体面板返包式加筋土挡墙，利用数值分析软件，从墙体变形特征和格栅应力分布规律2方面讨论了加筋土挡墙的工作性能和工作机理。主要结论如下:

1)填筑完成时墙体刚度相对较小，水平位移呈现“鼓胀式”模式;在施加面板后，在附加荷载作用下墙体位移继续增大，且附加荷载对墙体上部位移的影响较为明显，对下部影响较小，最大位移增量发生在墙顶处。墙体填筑完成时沿填土表面沉降曲线出现2个极值点，分别位于包裹碎石袋处以及加筋带末端。

2)在填筑完成后，筋材底层格栅拉应力较小，最大值发生在中下部，且筋带最大拉应力的连线即为加筋区的潜在内部破裂面，基本上呈线性分布。施加面板后格栅的最大应力逐渐上移。

［1］张建经，冯君，肖世国，等．支挡结构抗震设计的两个关键技术问题［J］．西南交通大学学报，2009，44(3):321-326．

［2］中华人民共和国铁道部．GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2006．

［3］YANG C W，ZHANG J J，LIU F C，et al．Analysis on Two Typical Landslide Hazards Phenomenon in Wenchuan Earthquake by Field Investigations and Shaking Table Tests［J］．International Journal of Environmental Research and Public Health，2015，12(1):1-17．

［4］甘宜山．加筋土技术在重力式挡土墙设计中的应用［J］．基建优化，2003，24(2):42-43．

［5］伍永胜．加筋土挡墙动力特性及抗震设计方法研究［D］．长沙:湖南大学，2006．

［6］杨凯东．大窑湾高填土加筋土挡土墙设计及地基加固中若干问题探讨［D］．大连:大连理工大学，2003．

［7］李海光．新型支挡结构设计与工程实例［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［8］YANG C W，FENG N，ZHANG J J，et al．Research on Timefrequency Analysis Method of Seismic Stability of Coveringlayer Type Slope Subjected to Complex Wave［J］．Environmental Earth Sciences，2015，74(6):1-14．

［9］杨长卫，张建经，陈强，等．加筋重力式挡土墙抗震设计方法研究［J］．土木工程学报，2015，48(8):1-9．

［10］中华人民共和国交通部．JTJ 004—1989公路工程抗震设计规范［S］．北京:人民交通出版社，1989．

(责任审编 李付军)

Research on W orking Performance of Typical Reinforced Earth Retaining W all Along Kunm img－Nanning Railway

YANG Guotao
(Department of Science and Technology，China Railway Corporation，Beijing 1008443，China)

According to one typical rein forced earth retaining wall with back wrapped whole panel in Kunming－Nanning railway，the generalize analysis model was established by using numerical analysis software and the working performance and working mechanism of rein forced earth retaining wall were discussed from two aspects which are the deformation characteristics of retaining wall and stress distribution of geogrid．The research results show that the stiffness of retaining wall is small when the filling work is finished and the deformation shows tympanites shape，the geogrid tensile stress of reinforcement material bottom is small and the maximum value is in themiddle and lower part of the rein forcement material，the maxim um tensile stress connection line of the rein forcement strip is the potential rupture surface of reinforcement region，which basically shows a linear distribution．The maximum stress of geogrid gradually moves up after the panel is app lied，the displacement of retaining wall gradually increases under the action of additional load，which has more influence on the upper displacement of the retaining wall and has less influence on the lower part，the maximum displacement increment appears at the top of retaining wall，and there are two extreme points along the settlement curve of the filling soil surface after filling work is finished，which are parcel gravel bag and the end of rein forcement strip．

Kunming－Nanning railway;Reinforced earth retaining wall;Numerical analysis;Deformation characteristic;Stress

TU758．12

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．23

1003-1995(2016)11-0088-04

2016-01-24;

2016-03-21

杨国涛(1977—)，男，博士研究生。