生态挡土墙剪切带的演化数值分析

2022-06-21张俊腾曹文峰尤文贵

北部湾大学学报 2022年2期

张俊腾，曹文峰，尤文贵

(福建农业职业技术学院园艺园林学院，福建福州 350119)

0 引言

生态挡土墙采用土工合成材料返包[1]替代刚性面板作为倾斜式墙面，可便于在墙面种植灌木草本等植物，以形成立体的生态支档系统。生态加筋挡土墙与传统加筋挡土墙相比具有如下特点：(1)施工简便、造价低。(2)可以防止水土流失，生态环保又兼具景观功能。(3)可以避免出现填料土与墙面沉降差而导致的墙面不平整。(4)适用的工程领域更广阔[2]。生态挡土墙具有良好的力学与生态功效，被广泛应用于铁路[3]、公路[4]和河道[5]等领域。然而，作为一种新型的支档结构，其理论研究远落后于工程实践[6]。目前生态挡土墙的设计大多参考传统加筋挡土墙的设计方法，即以极限平衡法[7]为理论基础。其设计计算包括外部稳定计算和内部稳定计算两大部分。规范[8-11]规定：外部稳定计算包括地基承载力、整体稳定、抗倾覆和抗滑移，内部稳定计算包括筋材拉力和抗拔。规范[8-11]推荐计算边坡稳定性所采用的极限平衡法大多基于瑞典条分法[12]，其基本原理[13]是：通过将滑移面以上的土体划分为有限个刚体计算不同滑移面处于极限平衡状态下所对应的安全系数，选出最小安全系数及所对应的滑移面。目前工程师普遍采用的理正岩土分析便是基于该原理对挡土墙的稳定性进行计算。实际上，挡土墙在外界环境作用下土体的强度会逐渐减小。有限元强度折减法通过不断减小土体的抗剪强度，使挡土墙达到濒临破坏状态，从而计算得到安全系数和滑移面，这种方法显然更符合实际[14]。研究传统加筋挡土墙应力应变的文献[15-18]很多，但是对稳定性分析，特别是对软土地基上的加筋挡土墙稳定性研究的文献不多。生态挡土墙与传统加筋挡土墙在结构上的区别主要在墙面板的形式，本文将介绍生态加筋挡土墙的结构形式，采用有限元法验证传统加筋挡土墙设计方法在生态挡土墙上的适用性，并从剪切带入手，重点分析生态挡土墙在软土地基上的破裂面受结构填土、加筋体刚度和筋土界面折减强度影响的演化规律。

1 数值模型的建立

挡土墙采用主流的结构形式，如图1所示。挡土墙的横截面为平行四边形，坡率为1∶0.8，挡土墙高为6 m，加筋体间距为0.5 m，加筋体水平投影长度为6 m，每铺设一层加筋体返包长度为2 m。挡土墙采用的几何模型、施工过程和各土层参数参考Bergado[19]在泰国曼谷做的现场试验的原始数据。

图1 生态挡土墙结构

如图1所示，挡墙高6 m，墙厚6 m，加筋体间距覆盖的风化层厚度为2 m。边界条件为左边15 m，右边25 m。目前生态挡土墙的墙面做法主推柔性生态袋和自嵌式新型土工织物[20]包裹，两者均需在外端部分将加筋体折回一定长度进而将生态袋或土工织物包裹在墙表面。根据规范[8-11]，本文的返包长度取2 m，加筋体刚度EA=1 000 kN/m。如图2所示，模拟挡土墙逐级填筑施工的过程，每层填筑厚度为0.5 m，加筋体间距为0.5 m，加筋体长度为6 m，软土层厚8.5 m，固结时间为3 d，总共12层，工期为36 d。由于软土地基的固结变形周期较长，本文有限元模拟阶段延长到0～200 d。各土层泊松比v均为0.25，材料模型为HSS[21]，m为刚度应力水平相关幂指数，砂土取0.5，黏土取0.8。施工模拟过程见图3，其余参数详见表1。

图2 挡土墙的有限元模型

图3 有限元的施工模拟过程

表1 各土层计算参数

2 结果分析与讨论

采用极限平衡法计算加筋挡土墙的稳定性一直以来都是规范推荐的方法，但是其计算结果偏于保守。采用有限元法计算结果更加接近实际[14]，为了验证采用有限元法计算结果的可靠性，本文将极限平衡法计算结果与有限元计算结果进行对比。本文采用的PLAXIS软件是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件。采用该软件分析加筋挡土墙稳定性的研究很少，从剪切带入手分析软土地基上破坏模式的研究就更少了。图4(a)为采用GEOSTUDIO软件计算的安全系数，图4(b)为采用PLAXIS软件计算的安全系数，两者的滑移面性状基本类似，安全系数后者比前者略大。加筋挡土墙的墙面板刚度能够提高其稳定性，但是对于软土地基其作用有限[22]，如图5所示：当填土强度c=10 kPa，内摩擦角φ=27°时，改变墙面板的形式和刚度，挡土墙剪切带性状没有变化，均为深层滑动破坏；同理，当填土强度c=2 kPa，内摩擦角φ=18°时，改变墙面板的形式和刚度，挡土墙剪切带性状也没有变化，均为倾覆破坏。

(a)极限平衡法安全系数Fs=1.624

(a)生态挡土墙，c=10 kPa，φ=27°

为了更好地分析生态挡土墙剪切带的演化过程，本文分别在软土地基与硬土地基上，通过改变不同的填土强度、加筋体刚度和筋土界面折减强度分析剪切带的变化情况。硬土地基的挡土墙模型除了与表1的软土层参数不同外，其余土层参数、几何模型和施工过程均与软土地基一致。硬土地基的风化层下面8.5 m厚的土层强度c取30 kPa，内摩擦角φ取30°，压缩模量取20 000 kPa。

如图6(a)(b)所示，填土强度c=2 kPa，内摩擦角φ=18°时，软土地基上的剪切带从坡趾点向上发展与硬土地基上的剪切带性状基本一致，均未超出Leshchinsky提出的0.3H法[23]确定的折线区域。当软土地基填土强度c=2 kPa，内摩擦角φ=27°时，剪切带向地基深处演化，继续增大填土强度时，剪切带演化成近似瑞典条分法确定的圆弧状[24]，如图6(c)(e)所示。然而，对于硬土地基上的挡土墙，当填土强度c=2 kPa、c=10 kPa，内摩擦角φ=27°时，剪切带依然从墙趾向上发展，但超出了0.3H法[22]确定的折线区域，表现出了滑移破坏的趋势，如图6(d)(f)所示。以上剪切带的演变说明了：软土地基上的生态挡土墙的破坏模式具有一定程度的模糊性，当填土强度较小时容易发生倾覆破坏，反之则容易发生深层滑移破坏。当填土强度较小时，硬土地基上的生态挡土墙容易发生倾覆破坏，反之则容易发生滑移破坏。该结论与蓝日彦等[25]采用室内试验方法研究生态挡土墙稳定性得出的结论基本一致。

(a)软土地基，c=2 kPa，φ=18°

如图7(a)(c)所示，当软土地基上的挡土墙加筋体刚度EA分别为4 000、3 000 kN/m时，剪切带贯穿加筋体末端向地基深处发展呈近似瑞典条分法确定的圆弧状[24]，其破坏模式为深层滑移破坏。当软土地基上的挡土墙加筋体刚度减小到EA=500 kN/m时，剪切带演化成在墙身部分积聚并未向地基深处延伸，如图7(e)所示。这说明，加筋体刚度不足，自身材料变形过大不能有效抑制墙身的塑性区发展。这也意味着，如果加筋体刚度不足时，稳定性计算的主控项目应该是墙身而非地基。对于硬土地基如图7(b)(d)(f)所示：当加筋体刚度EA从4 000 kN/m逐渐减小到500 kN/m时，剪切带从分布在墙身下部向墙身上部演化，说明破坏模式由滑移破坏转向倾覆破坏。该结论与朱彦鹏等[26]采用ADINA有限元软件进行数值分析的结论基本一致。

(a)软土地基，EA=4 000 kN/m

目前受到认可的加筋机理分别为准黏聚力理论[27]和摩擦加筋理论[28]。如果加筋体刚度不足则无法与填土形成稳定的复合材料，即土体准黏聚力无法得到有效提高，这可以用准黏聚力理论来解释。同样的，如果填土强度不足或者筋土界面相互作用强度不足则无法保证填土与加筋体之间有效的摩擦力，这可以用摩擦加筋理论来解释。对于软土地基，当筋土界面相互作用折减强度Rinter由0.7逐渐减小到0.2时，剪切带由圆弧状向折线状演化，如图8(a)(c)(e)所示。对于硬土地基，当筋土界面相互作用折减强度Rinter由0.7逐渐减小到0.2时，其破坏模式由滑移破坏向倾覆破坏转化，如图8(b)(d)(f)所示。该结论与黄向京等[29]采用Rosenblueth矩估计方法研究加筋格宾挡土墙外部稳定性时得出的结论基本一致。