软基上柔性加筋挡土墙的工作性状研究★

张俊腾 杨 祁

(福建农业职业技术学院，福建 福州 350119)

0 引言

加筋挡土墙根据墙面的形式分为刚性面板和柔性面板的加筋挡土墙。刚性面板采用料石等刚性砌块作为墙面板材料，与拉筋和填土三部分形成复合结构，具有刚度大、稳定性好等特点。柔性面板则采用加筋体返包的形式，返包区段采用草籽袋等进行填充很容易在墙面进行绿化种植，因而得名生态型挡土墙。柔性面板加筋挡土墙继承了刚性面板加筋挡土墙的优点，受到了众多领域的工程师的青睐。但是，国内外对柔性加筋挡土墙的研究并不成熟，特别是在软土地基上的柔性加筋挡土墙的研究尤为少见。G. D.Skinner[1]采用有限元软件模拟分析了软土地基上的加筋挡土墙的应力应变，指出现有的理论只考虑软土地基的影响，但并未考虑加筋挡土墙面板的形式。Dennes T[2]采用数值模拟对软土地基上的加筋挡土墙进行了研究。数值模拟的本构模型采用M-C摩尔库仑模型但并未考虑墙面板的形式，分析结果表明由于软土地基的影响，加筋挡土墙的应力应变要比非软土地基的要显著的多。吕鹏、杨广庆[3]采用数值模拟法分析了考虑柔性面板和软土地基上加筋挡土墙的适用性。Charbel[4]研究了填土强度对加筋挡土墙的影响。陈建峰，顾建伟[5]采用原位试验法研究了软土地基上柔性加筋挡土墙的性能，并指出病害表现为墙身出现鼓肚现象。

本文采用Plaxis有限元软件建立数值模型，分析不同地基土压缩模量、地基土强度对柔性加筋挡土墙的墙顶沉降、墙背土压力和筋材拉力的影响，并与刚性面板进行对比。

1 数值模型

本文有限元模型如图1所示，坐标原点位于墙趾处，墙高6 m，共12层加筋体，每层间距为0.5 m，长度为8 m。根据《铁路路基支挡结构设计规范》[6]规定，加筋体返包长度取2 m，加筋体刚度EA=2 500 kN/m。挡墙下部有一层1.5 m厚的风化层，风化层下面为软弱下卧层。

加筋挡土墙的施工工艺为：从底层开始铺设加筋体并回填填土，考虑到路堤长度普遍较长故每层工期为3 d，总共12层，总工期36 d。有限元模拟考虑各层土体的固结变形的影响，由于粘性土固结时间较长，数值模拟时间区段为0 d～200 d。各层土的本构模型采用HSS土体小应变硬化模型。采用数值模拟难点在于参数的选取，参数选取的准确与否直接关系到计算结果的准确性。各土层泊松比v均为0.25，其余参数如表1所示。对于比较难选取的两个参数：小应变模量G0和剪切应变水平γ=0.7。笔者根据经验数据：

γ0.7=0.000 2

(1)

(2)

2 结果分析与讨论

如图2所示，对于柔性面板，地基土压缩模量Es=5 MPa时，最大沉降量为130 mm，当地基土压缩模量Es=4 MPa时，最大沉降量为140 mm，当地基土压缩模量Es=3 MPa时，最大沉降量为160 mm。很显然，地基土压缩模量越小，墙顶沉降也越大。如图3所示，这个规律对于刚性面板的加筋挡土墙也同样适用。不难看出，软土地基上柔性和刚性面板的墙顶沉降均较大，主要位于墙身范围内。不同的地方在于，柔性面板的墙顶沉降最大的点位于墙面附近，而刚性面板的墙顶沉降最大的点位于墙身中部附近。因此，在病害检测时，柔性面板应该更加关注墙的临空面一侧，刚性面板应该更加关注墙的中部位置。

根据朗肯土压力理论，挡墙的墙背土压力有主动土压力σa、静止土压力σo和被动土压力σP。

具体公式如下：

其中,Ka=tan2(45°+φ/2);k0=1-sinφ′;KP=tan2(45°+φ/2);H为挡墙高。

如图4所示，对于柔性面板，墙背土压力沿着墙身从上到下呈逐渐增大的趋势最大值为45 kPa。地基土的压缩模量的变化对墙背土压力的影响不大，总体上墙背土压力分布在静止土压力线附近。

如图5所示，对于刚性面板，墙背土压力沿着墙身从上到下也呈逐渐增大的趋势，但最大值仅仅为30 kPa。墙背土压力总体上分布在主动土压力线附近，地基土的压缩模量的变化对墙背土压力的影响也十分微弱。

以上现象说明了，柔性面板的加筋挡土墙的墙背土压力要比刚性面板的墙背土压力要大的多。

同理，通过改变单一变量即改变地基土强度建立数值模型，分别计算柔性面板和刚性面板的加筋挡土墙的墙背土压力。

如图5所示，通过改变地基土的强度计算出的柔性加筋挡土墙的墙背土压力均位于静止土压力线附近。说明了地基土强度的变化并不能改变柔性加筋挡土墙的墙背土压力。

如图6，图7所示，通过改变地基土的强度计算出的刚性面板的加筋挡土墙的墙背土压力曲线也几乎重合在一起并分布在主动土压力线内侧。同样也说明了地基土强度的变化也不能对刚性面板的加筋挡土墙的墙背土压力造成影响。

加筋挡土墙从下到上共12层加筋体，第4层的具有一般性，固选择该层最为代表。

如图8所示，对于柔性加筋挡土墙，加筋体的拉力沿着筋材方向从墙面到末端从零开始先增大后减小，最后又缓慢增大的性状，表现为双峰现象，这也是软土地基特有的性状。这两个峰值分别为12 kPa和9 kPa。不难看出，加筋体的拉力并未受地基土强度的变化而发生显著的变化。

如图9所示，对于刚性面板加筋挡土墙，筋材拉力从墙面始端到末端先增大后减小又增大的现象，同样也表现出双峰的性状。筋材拉力随着地基土强度的变化呈小幅的波动，即地基土强度减小筋材拉力呈小幅增大的趋势。

通过比较可知，柔性面板的加筋挡土墙的筋材的拉力比刚性面板的加筋挡土墙的要大，但是在墙面板的位置前者为零，后者仍为一个不小的数值。

3 结语

本文通过分别改变地基土压缩模量、地基土强度计算了软土地基上柔性加筋挡土墙的墙顶沉降、墙背土压力和筋材拉力并与刚性面板进行对比，得出了以下结论：

1)与刚性面板的加筋挡土墙不同的是，柔性加筋挡土墙的墙顶沉降量最大的点位于墙临空面。

2)地基土的强度和压缩模量对加筋挡土墙的墙背土压力和筋材拉力的影响不大。

3)柔性加筋挡土墙的墙背土压力分布在静止土压力线附近，其大小比刚性面板的加筋挡土墙要大的多。

4)软土地基上的加筋挡土墙筋材拉力有两个峰值，而且筋材拉力要比刚性面板的加筋挡土墙的大的多。