土工格栅加筋土挡墙的动力性能及施工工艺研究

熊凯

（中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北武汉 430070）

土工格栅加筋土挡墙属于柔性结构，在地震作用下能够吸收地震能量，具有较好的抗震性能，影响加筋土挡土墙抗震性能的因素有很多，诸如筋材间距、挡墙尺寸、土性参数等。栾茂田等采用非线性有限元法分析了加筋土挡墙的工作性能，刘华北对挡墙设计参数进行了弹塑性有限元研究，袁捷等对地震作用下加筋土路基力学行为进行了弹塑性分析。加筋土挡墙地基承载力要能够保证土体在动力作用下的稳定性，其变形需在允许值范围内。在地震过程中，加筋土挡墙承受地震力与静荷载共同影响，因土体弹塑性特征及耗能，其动力反应过程复杂，稳定性与变形与静力荷载相比，影响较大，不易掌握其反应特征。因此，本文从波动理论的角度探寻不同地基土质对加筋土挡土墙抗震性能的影响，并采用有限差分法理论模拟分析加筋土挡墙的抗震性能，提出了土工格栅加筋土挡墙施工工艺。

1 计算模型的建立

1.1 几何参数及材料参数

加筋土挡墙的墙高为10m，墙后填土为粘性土，加筋材料为土工格栅，筋材长度为10m，面板采用混凝土面板，加筋土挡墙计算模型如图1 所示。

混凝土面板、墙后填土及地基土均采用摩尔-库仑本构模型，材料基本参数如表1、表2 所示，土工格栅单元参数如表3所示，接触面单元参数如表4 所示。

表1 计算模型参数

表2 分析工况

表3 土工格栅单元参数

表4 接触面单元参数

1.2 计算参数

图2 Elcentro 波速度时程曲线

由于地震荷载属于随机荷载，本文选用著名的EL-Centro实测地震波作为荷载激励，总时程选取前20s，步长为0.02s，峰值加速度调整为0.15g，加速度时程曲线如图2 所示。

模型的四周选用自由场边界条件，激励施加在模型的底部水平方向，结构在运动的过程中，内部摩擦需要消耗能量，从而减小结构的运动幅度，产生阻尼作用。本文采用FLAC3D 开展动力计算，采用其内置了多种阻尼形式，实际计算中多采用局部阻尼，所以本文计算模型动力阻尼选用其内置的选用局部阻尼。

2 计算结果分析

2.1 地基土摩擦角的影响

设定三种工况，地基土摩擦角不同，其它参数一致。通过数值模拟，分析研究这三种工况的动力响应，研究地基土摩擦角对加筋土挡墙的抗震性能的影响。计算结果如图3、4 所示。

图3 加速度放大系数图（单位：m）

图4 位移对比图

图3 地基土内摩擦角分别为35°（工况4）、30°（工况9）和40°（工况10）参数条件下，墙背位置的加速度放大系数。当高度比在0.2-1.0 范围内，内摩擦角为40°的工况下，加速度放大系数最大；内摩擦角为30°工况下，加速度放大系数最小。在挡墙墙背顶部，内摩擦角为40°的工况下，加速度放大系数最大；内摩擦角为30°工况下，加速度放大系数最小。在地基土内摩擦角在各种工况下，从挡墙底部到顶部的加速度放大系数均逐渐增大。

图4 为工况同图3，分析挡墙顶部在地震作用下的位移响应。从图可知，不同内摩擦角的工况下，挡墙顶部位移相应规律一致，三种工况下的最大正位移、最大负位移、最终位移均相近。最大正位移为0.09m，最大负位移为0.20m。

以上分析可以看出，在加筋土挡墙中，不同的地基土摩擦角，对抗震性能的影响较小。

2.2 地基土内聚力的影响

定义工况1、工况2、工况3 三种工况为其它条件一致、只有地基土内聚力不同的工况，通过计算数值模拟，分析内聚力参数对加筋土挡墙的影响。其计算结果如图5、6 所示。

图5 加速度放大系数图（单位：m）

图6 位移对比图

图5 地基土内聚力分别为50KPa（工况4）、10KPa（工况11）和150KPa（工况12）参数条件下，墙背位置的加速度放大系数。由图可以看出，在墙背相同位置，内聚力为10Kpa 时，加速度放大系数最大；内聚力为50Kpa 时，加速度放大系数最小。在高度比为1，即挡墙顶部，内聚力为10Kpa 时，加速度放大系数为6.0；内聚力为150Kpa 时，加速度放大系数为3.5；内聚力为50Kpa 时，加速度放大系数为3.0。在相同的内聚力工况下，在高度比为0-1 范围内，即从墙角到墙顶，加速度响应逐渐增大。

从图6 工况同图5，分析挡墙顶部在地震作用下的位移响应。内聚力为50Kpa 和150Kpa 时，位移响应基本一致。最大负位移响应比最大正位移响应值更大。而内聚力为10Kpa 时，位移响应与另外两种工况的位移响应差距较大，最大正位移较小，最大负位移较大。

从以上分析可以看出，在加筋土挡墙中，当地基土的内聚力在较小范围内时，在地震作用下的动力响应差异明显。而内聚力超越一定范围时，对抗震性能的影响减小。内聚力对抗震性能影响的临界点需要根据不同的地质参数深入分析。

3 施工工艺

3.1 工艺流程

土工格栅加筋土与其它方式的加固土不同，其重要特征是这种加筋土由筋带与填土交替铺设并紧密压实而成的一种复合材料。其加固效果和稳定性，是通过土工格栅与填土之间的摩阻形成。因此，对填料的压实要求较高，并且筋带的材料质量也是加筋效果的关键。施工工艺流程为：

施工准备→基底处理→土工格栅铺设→填土→压实→翻卷格栅→下层格栅铺筑→填土。

3.2 施工控制要点

3.2.1 基底处理

当基底土为碎石土、砂性土、黏土时，应整平压实，基底承载力达到设计要求，否则应进行换填或其它处理措施以满足设计要求。

3.2.2 土工格栅铺设

土工格栅铺设应连续、平整，不出现扭曲、折皱、重叠。搭接强度不低于材料的设计强度，且搭接长度不少于10cm。

3.2.3 填料与压实

土工格栅摊铺后应及时填料压实，间隔不超过48h，填料的压实工艺应严格按照作业标准完成。

4 结论

通过建立加筋土挡墙有限元模型，采用FLAC3D 对加筋土挡墙进行动力反应分计算，分析了不同地基土质参数对加筋土挡墙抗震性能的影响，得出以下结论。

4.1 地基土内摩擦角越大，加筋土挡墙面板后加速度放大系数越大。

4.2 不同地基土内摩擦角下挡土墙顶部的位移反应差距略小，说明地基土摩擦角的变化对加筋土的抗震影响较小。

4.3 当地基填土的内聚力较小时，加筋土挡墙的加速度反应越大。

4.4 土工格栅加筋土挡墙的施工严格按照设计要求完成，并做好基底处理。其中土工格栅的摊铺质量是加筋效果的关键，铺设应连续、平整，并做好搭接。