锚定板对返包式加筋土挡墙性能影响数值模拟研究

2023-11-01林展展陈宝林

交通科技 2023年5期

林展展陈宝林黄陈

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081)

加筋土支挡结构作为土工加筋技术运用于工程实践的一种主要模式,较传统重力式支挡结构具有抗震性能好、圬工少、占地少、适用范围广、作业效率高、经济效益显著等优点[1-2]。随着1965年在法国建立起世界上第一座加筋土挡墙以来,加筋土挡墙就以其良好的经济效益在各国竞相发展起来[3]。我国于20世纪70年代开始对加筋土挡墙进行研究并取得丰硕成果[4-5]。据不完全统计我国已经建成加筋土挡墙上千余座,已经广泛应用于公路、铁路、水利、市政、煤矿等行业[6-7]。加筋土挡墙主要由筋材、面板和填料构成,通过埋设高抗拉强度的筋材,达到增强土体强度的效果[8]。随着工程实践经验技术的提高,对加筋土挡墙各方面的理论研究愈发显得急迫和重要,例如加筋筋材末端加设锚定板对加筋土挡墙各方面力学性能的影响,加设锚定板带来何种锚固效应,其锚固性能的发挥程度如何等方面的内容仍需要进一步的研究。

介于在加筋体筋材末端加设锚定板的相关研究较少,本文以某返包式加筋土挡墙为原型,通过有限差分软件FLAC3D进行建模分析,探讨锚板的加设对加筋土挡墙各方面性能的影响,从而得到锚定板的锚固效应。

1 工程概况

本文以某高速公路路基返包式加筋土挡墙作为计算原型,该挡墙由地基、面板、包裹碎石、填料、土工格栅和锚定板构成,锚定板设置于土工格栅末端。其中,面板高度为6.0 m、宽度为0.3 m,挡墙坡度为1∶0.1,背面坡度为1∶1.5。面板材料为现浇钢筋混凝土,其中混凝土强度为C35,重度为25 kN/m3,钢筋采用HRB400。墙后填料为无黏性卵石,重度23 kN/m3,内摩擦角35°,碎石重度23 kN/m3,内摩擦角为35°。土工格栅为高密度聚乙烯单向土工格栅,铺设长度6.0 m,铺设竖向间隔0.3 m,铺设总层数为20层,土工格栅极限抗拉强度100 kN/m。该返包式加筋土挡墙示意见图1。

图1 返包式加筋土挡墙(尺寸单位:m)

2 数值模型建立

2.1 几何模型建立

介于地基和包裹碎石刚度较大,在数值模拟中将其本构模型选用为线弹性模型,而土体本构模型选用弹塑性Mohr-Coulomb模型。模型建立完成网格图见图2,其中蓝色部分是包裹碎石,红色部分是土工格栅。

图2 返包式加筋土挡墙网格图

模型中土工格栅采用FLAC3D中的结构单元geogrid进行模拟,由于geogrid单元只能抵抗薄膜荷载而不能抵抗弯曲荷载,所以在本次模拟中通过让geogrid与土单元网格直接发生剪切摩擦作用的方式来实现自身加筋性能模拟。锚板采用pile结构单元进行模拟。考虑到geogrid本身不能承担且不能传递弯矩,数值模拟设置中对pile与geogrid通过节点与节点之间通过铰接的形式进行连接。碎石返包采用碎石单元与填料单元设立interface接触面,从而模拟相应接触面的摩擦与剪切效应。其中面板与填料之间的接触面力学参数法向刚度为1×108N/m,切向刚度为4×106N/m,内摩擦角为25°。

2.2 参数确定

模型中重要的结构单元包括填料、面板、地基和土工格栅,通过现场参数测试及相关资料调研[9-10],模型各结构单元的基本参数设定见表1。

表1 模型结构单元基本参数

2.3 建模流程

为对比分析筋材末端锚板的性能,数值模拟中分别就加锚板及未加锚板2种情况进行建模计算,并就影响锚板性能的因素,如土工格栅长度、土工格栅间距,以及填料摩擦角等因素讨论其对锚板性能的影响。

模型的建立步骤包括:①地基初始应力平衡;②对每一层格栅返包加设锚板并填土;③分层填筑并计算至20层完成;④激活面板,并以换算的均布荷载60.8 kPa作为上部路基、路面、车辆荷载施加于顶层填土上。⑤计算完成后通过编辑Fish语言对加筋土挡墙相应数据进行提取。模型填筑完成后见图3。

图3 返包式加筋土挡墙填筑完成图

3 结果分析

3.1 不同格栅长度下锚定板对挡墙的影响

3.1.1对面板水平位移的影响

格栅长度主要分为3,4,5,6 m 4种工况,填料内摩擦角的范围为16°～35°之间,不同格栅长度下有无锚定板对挡墙面板水平位移的影响见图4。该部分工况均控制格栅间距为0.3 m。

图4 面板水平位移随填料内摩擦角变化曲线

由图4可见,同一格栅长度下存在锚定板时的面板水平位移均小于未设置锚定板时的水平位移,表明锚定板对控制加筋土挡墙面板水平位移存在一定的抑制作用。同一格栅长度下,随着填料内摩擦角的增大,锚定板对面板水平位移的作用效果不断减弱,有无锚板时的水平位移不断趋于相同,可见当填料内摩擦角减小时更有利于锚板发挥其锚固作用。当格栅长度为6 m时,当填料内摩擦角小于18°时,锚板的作用效果表现较为明显,在16°时锚板的存在使得面板水平位移减小约4 cm,当摩擦角继续降低时,挡墙发生整体破环。而当格栅长度分别为5,4,3 m时,当填料内摩擦角分别小于20°,25°和30°时,锚板的作用效果表现较为显著。

为研究在不同筋长下锚板的加固效果随摩擦角的变化规律,定义相同摩擦角下,锚固相对位移(有无锚定板时面板水平位移差值)与未加锚定板的墙体位移的比值为加固系数,即

式中:k为加固系数;l0为未设锚板时面板位移,cm;l1为设置锚板时面板位移,cm。

图5为不同格栅长度时加固系数随填料内摩擦角变化曲线。

由图5可见,不同格栅长度时,加固系数均随填料内摩擦角的增大而减小,最后趋于稳定。当加固系数相同时,格栅长度越大所对应的填料内摩擦角越小;而同一填料内摩擦角时,格栅长度越大所对应的加固系数越小。在一定范围内,格栅长度越大,填料内摩擦角越大,对约束加筋土挡墙面板水平位移效果越显著,而锚定板的增设其功能主要发挥在当填料内摩擦角较小时。

格栅长度在6,5,4,3 m时,加固系数发生陡增时对应的摩擦角分别为18°,20°,25°,30°,相应格栅长度下挡墙的破环摩擦角分别为15°,16°,18°,20°。通过比较加固系数陡增点所对应的摩擦角度数及相应格栅长度下挡墙破坏的摩擦角度数可得:在该挡墙高度下,筋长6 m和5 m时的挡墙由于筋材较长,自身锚固抗拔力较大,设置锚板后加固性能发挥有限;而筋长为3 m的挡墙由于筋长较短,墙体的整体破坏先于锚板锚固作用力的发挥,使其锚固作用发挥有限;当筋长长度为4 m时挡墙相对其他筋长,锚板的锚固性能在摩擦角降低时更能充分发挥。

3.1.2对格栅应力的影响

为研究界面力学状态,现对土工格栅拉力随填料内摩擦角的变化进行分析,结果见图6。由图6可知,不同格栅长度下格栅最大拉应力均随着填料内摩擦角的增大而减小;同一填料内摩擦角下格栅最大拉应力随着筋长的增大而减小;不同格栅长度时总体呈现出有锚板时格栅的拉应力小于无锚板时拉应力的趋势,但两者差值较小。格栅的最大拉应力出现在筋长6 m,填料摩擦角16°时,其值约为20 MPa。当格栅长度为4 m时,其格栅最大拉应力极大值大于格栅长度为3 m和5 m时,表明在此挡墙高度下铺设4 m长度的土工格栅更有利于发挥格栅拉力的使用率。

图6 格栅应力随内摩擦角变化曲线

3.2 不同格栅间距下锚定板对挡墙的影响

为探讨不同格栅间距时,有、无锚定板对返包式加筋土挡墙性能影响,在土工格栅长度为6 m条件下进行分析,分析内容主要为面板水平位移及格栅最大拉应力。

3.2.1对面板水平位移的影响

当土工格栅间距分别为0.3,0.6,1.2 m时,有、无锚定板条件对加筋土挡墙面板水平位移影响见图7。

图7 不同格栅间距下锚板对水平位移影响示意图

由图7可知,面板水平位移均随填料内摩擦角的增大而减小。当格栅竖向间距为0.3 m时,如前所述,锚板的增设几乎未影响原有结构的力学性能;格栅竖向间距0.6 m,摩擦角大于20°时,锚板的设置几乎不影响面板的水平位移,当填料摩擦角小于20°时,锚板的设置与否对面板水平位移的影响开始逐步显现,其中当填料摩擦角降为16°时,有无设置锚板对应的墙面水平位移差约40 cm,当格栅竖向间距1.2 m时,锚板的设置与否对挡墙水平位移的影响不明显。由此可知,锚板的设置对格栅竖向间距为0.3,1.2 m的面板水平位移几乎没有改善,而对间距0.6 m面板在摩擦角小于20°时的面板水平位移降低效果显著。但在上述3种间距下,锚板的设置均未增大墙体最终破坏时所对应的摩擦角。

3种格栅竖向间距下,加固系数随摩擦角的变化规律见图8。

图8 不同格栅间距下加固系数随摩擦角变化

由图8可知,当格栅间距为0.3 m和0.6 m时加固系数随着摩擦角的减小呈先缓慢增加、后陡增趋势。格栅间距0.3 m和0.6 m情况下加固系数陡增点对应摩擦角分别为18°,20°。间距1.2 m时加固系数几乎不变。由此可见锚板的增设在填料内摩擦角较小且格栅间距较小时对挡墙稳定性有一定的效果,而当格栅间距为0.6 m时改善效果更为显著。

3.2.2对格栅应力的影响

不同格栅竖向间距下格栅拉力随摩擦角变化的规律见图9。

图9 格栅最大拉应力随摩擦角变化

由图9可知,格栅最大拉应力随填料内摩擦角的减小而增大,随筋材竖向间距的增大而增大,且总体呈现加设锚板时的格栅拉应力小于不加设锚板的趋势。格栅的最大拉应力出现在格栅竖向间距0.6 m,填料内摩擦角16°时,其值约为33 MPa,即格栅拉力为66 kN/m,约为格栅极限抗拉强度的66%,相较于其他间距布置的挡墙,间距0.6 m的格栅布置,格栅拉力的发挥率更高。