尤楊

加筋土擋土墻是利用加筋土技術(shù)修建的一種支檔結(jié)構(gòu)物，加筋土是一種在土中加入拉筋的復(fù)合土，它利用拉筋與土之間的摩擦作用，改善土體的變形條件和提高土體的工程性能，從而達(dá)到穩(wěn)定土體的目的，加筋土擋土墻一般適用于地形較為平坦且寬敞的填方路段。本論文以失穩(wěn)的G104界河立交橋加筋土擋土墻為具體研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和理論研究分析不同動(dòng)載荷作用下加筋土擋土墻的失穩(wěn)特征以及失穩(wěn)的內(nèi)在原因。

1.工程背景

山東省G104界河立交橋位于山東省滕州市境內(nèi)，該橋建成于1990年10月，立交橋兩端接線采用加筋土擋土墻技術(shù)構(gòu)建。南北兩端引橋?qū)?4m，引橋北端長(zhǎng)256m，平均坡度1：27；引橋南端長(zhǎng)372m，平均坡度1：37，引橋最高處達(dá)12.81m。在建成初期，加筋土擋土墻即出現(xiàn)輕微的墻體外鼓現(xiàn)象，從1997年起，墻體外鼓現(xiàn)象逐漸加劇，至2000年6月，最大相對(duì)位移量達(dá)100mm，絕對(duì)值超過(guò)200mm，路面局部發(fā)生縱向開(kāi)裂，兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)傾，頂部面板局部脫落，墻體出現(xiàn)失穩(wěn)征兆，并有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì)。

2.計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

本文重點(diǎn)研究不同動(dòng)載荷對(duì)擋土墻的影響，以及動(dòng)載荷作用下?lián)跬翂Φ钠茐臋C(jī)理。加筋土擋土墻的計(jì)算模型寬26m，其中包括14m的快車(chē)道和兩側(cè)各寬6m的慢車(chē)道，擋土墻的高度按剖面的最高高度選取為12m，對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型高度為17m，圖1給出了擋土墻的計(jì)算簡(jiǎn)圖。鋼帶采用3號(hào)鋼，間距0.5m。

本文研究中動(dòng)載荷按兩種極端情況考慮：

（1）對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷：4輛30噸載重汽車(chē)平行同時(shí)作用在計(jì)算剖面上，載荷集度為40kN/m；

（2）非對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷：路面一側(cè)有2輛30噸載重車(chē)并行同時(shí)作用在計(jì)算剖面上，載荷集度為40kN/m。

動(dòng)載荷頻率30Hz，動(dòng)載荷系數(shù)為1.5，動(dòng)載荷在單位剖面上作用時(shí)間為0.13s，動(dòng)載波形成正弦波，圖2給出了路面模擬動(dòng)載荷變化頻譜特性曲線。

本研究運(yùn)用美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)和美國(guó)Itasca Consulting Group Inc.開(kāi)發(fā)的二維有限差分計(jì)算程序FLAC2D （Fast Lagrangian Analysis of Continua）進(jìn)行計(jì)算，擋土墻填土按照莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則考慮。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查表明，加筋土擋土墻內(nèi)填土主要有混砂亞粘土和粉質(zhì)砂土組成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加固前填土的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.加筋土擋土墻失穩(wěn)特征及失穩(wěn)原因分析

（1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以得出對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷作用下?lián)跬翂Φ淖冃我约捌茐奶卣鳎?/p>

（a）墻體受力變形是一個(gè)時(shí)間和空間過(guò)程，載荷傳遞是由上向下傳遞，由于墻體不是理想狀態(tài)下的彈性體，隨著時(shí)間增加墻面變形逐步積累，同時(shí)向墻體中下部擴(kuò)展。對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷作用下，墻面的水平變形特征是墻體中上部大于下部（圖3-圖4）。當(dāng)動(dòng)載荷作用結(jié)束后，由于墻體內(nèi)部可能發(fā)生瞬間失穩(wěn)，在墻趾2-4m處墻面出現(xiàn)水平變形增加的現(xiàn)象。

（b）墻面變形特征與墻體內(nèi)部受力狀態(tài)有本質(zhì)上的聯(lián)系。在動(dòng)載荷作用下墻體上部呈拉裂破壞，墻面變形是拉破裂區(qū)在側(cè)向分離造成的結(jié)果；在墻體中部，墻面變形由中心拉破裂變形和墻體邊緣塑性變形疊加而成；在墻趾處，墻面變形是墻體內(nèi)部共軛剪切破壞帶的剪切滑移而造成，但此處變形由于受基礎(chǔ)的約束一般不易出現(xiàn)（圖5）。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以得出非對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷作用擋土墻的變形以及破壞特征：

（a）在非對(duì)稱(chēng)載荷作用下，擋土墻變形的最主要特征是墻體向受載荷一側(cè)傾斜變形加劇，非受載荷側(cè)墻體也出現(xiàn)少量水平移動(dòng)，同時(shí)在墻體上部出現(xiàn)位移場(chǎng)“倒轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，路面向上略微翹起，現(xiàn)場(chǎng)觀察到的護(hù)欄內(nèi)傾即由此而引起（圖6）。

（b）在非對(duì)稱(chēng)動(dòng)載荷作用下，擋土墻主要在墻趾處出現(xiàn)了剪切破壞，載荷作用的一側(cè)破壞范圍明顯大于沒(méi)有載荷的一側(cè)，擋土墻在非對(duì)稱(chēng)載荷作用下會(huì)出現(xiàn)墻體外傾現(xiàn)象（圖7）。

（3）影響擋土墻穩(wěn)定的主要因素是路面動(dòng)載荷作用。動(dòng)載荷特征一般表現(xiàn)為作用時(shí)間短，頻率高，載荷增加梯度大。加筋土擋土墻的加筋材料為增阻遲緩的柔塑性體，在動(dòng)載荷作用下增阻速度滯后，不能及時(shí)提供阻力以抵御動(dòng)載荷對(duì)土體的破壞作用。在許多情況下，拉筋失效并非本身強(qiáng)度不夠，而是增阻速度不及動(dòng)載增力的速度，導(dǎo)致土體變形超限而破壞。

（4）從加筋土擋土墻變形和破壞形態(tài)看，由于本身的結(jié)構(gòu)缺陷，本身即存在初始塑性變形區(qū)，在動(dòng)載荷作用下極易誘發(fā)原有塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大和發(fā)展。隨著時(shí)間積累以及變形結(jié)果疊加，勢(shì)必造成加筋土擋土墻內(nèi)部出現(xiàn)整體和永久性的變形與破壞。

正是由于擋土墻墻體本身存在上述缺陷，在動(dòng)載荷作用下，墻體一旦發(fā)生破壞就是大規(guī)模的，因此，對(duì)失穩(wěn)加筋土擋土墻的加固必須是整體性的，既要考慮控制破壞變形強(qiáng)制措施，又要考慮增加土體強(qiáng)度。

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