沈立森, 程和堂，齊興敏

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 鷹潭工務(wù)段，江西 南昌 335000；3.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 052165)

0 引言

城際鐵路作為區(qū)域內(nèi)城市間的大客流量交通系統(tǒng)，對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的變形要求嚴(yán)格.過(guò)大的變形不僅會(huì)影響擋墻的正常使用，還會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄κХ€(wěn)破壞，而列車(chē)荷載作用下的城際鐵路路基要保證高速運(yùn)行列車(chē)的安全與舒適.近年來(lái)，土工格柵加筋土擋墻作為柔性支擋結(jié)構(gòu)，在公路、市政、水利等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因其具有抗震性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，施工方便，經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已逐漸應(yīng)用到了城際鐵路領(lǐng)域中.因此，土工格柵加筋土擋墻的變形規(guī)律已成為完善加筋土理論和保證城際鐵路的路基穩(wěn)定和安全運(yùn)營(yíng)的重要內(nèi)容.

文獻(xiàn)[1]利用離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了墻頂靜荷載作用下加筋土擋墻的變形機(jī)理，分析了墻頂荷載對(duì)墻體變形的影響.文獻(xiàn)[2]利用小比例模型試驗(yàn)，探討了墻頂外荷載作用下的土工格柵加筋土擋墻的墻頂水平位移計(jì)算方法，分析了土工格柵蠕變效應(yīng)對(duì)墻頂水平位移的影響.文獻(xiàn)[3]分析了剪切速率和加筋材料特性對(duì)加筋土界面抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，確定了加筋土擋墻的安全系數(shù).文獻(xiàn)[4]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)加筋土擋墻在列車(chē)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和變形理論進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[5]應(yīng)用動(dòng)力彈塑性有限元法,研究了豎向地震、加筋長(zhǎng)度、面板與填土之間的摩擦角等計(jì)算參數(shù)對(duì)加筋土層內(nèi)力和變形的影響.

青榮城際鐵路正線(xiàn)長(zhǎng)度299 km，為客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路，正線(xiàn)數(shù)目為雙線(xiàn)，線(xiàn)間距為4.6 m，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km,營(yíng)運(yùn)時(shí)速200 km.本文以青榮城際鐵路工程為例，研究加筋土擋墻的變形規(guī)律，以期為城際鐵路加筋土擋墻的設(shè)計(jì)和施工提供理論與技術(shù)支撐.

1 加筋材料的工程特性

土工格柵由于具有良好的工程特性被廣泛應(yīng)用于加筋土擋墻施工中.影響加筋土結(jié)構(gòu)工作性狀的主要特性包括拉伸、摩擦和蠕變[6].

1.1 拉伸特性

土工格柵作為加筋土結(jié)構(gòu)中的柔性拉筋材料，主要通過(guò)抗拉強(qiáng)度來(lái)承受荷載并發(fā)揮作用.因此，抗拉強(qiáng)度及變形特征是土工格柵的重要指標(biāo).土工格柵的抗拉強(qiáng)度與測(cè)定時(shí)試樣的形狀、寬度和約束條件等有關(guān).在不同的試驗(yàn)溫度下，可呈現(xiàn)4種應(yīng)變速率曲線(xiàn)，如圖1所示.

圖1 不同試驗(yàn)溫度下應(yīng)變曲線(xiàn)

圖1中，A曲線(xiàn)為溫度最低或應(yīng)變速率最大的情況，拉力與延伸率關(guān)系近乎直線(xiàn)，在應(yīng)變較小時(shí)即達(dá)到極限拉力，易發(fā)生脆性破壞.D曲線(xiàn)為溫度最高或應(yīng)變速率最小時(shí)的情況，在較小的拉力作用下即可產(chǎn)生較大的延伸率，易發(fā)生塑性破壞.B曲線(xiàn)、C曲線(xiàn)為兩個(gè)極端情況下的中間狀態(tài).

1.2 摩擦特性

土工格柵埋于擋墻中后部，與周?chē)馏w構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，在自重和外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)在筋土界面產(chǎn)生相互作用，如圖2所示.

圖2 筋土界面的相互作用形式

從圖2可以看出，筋土摩擦作用主要表現(xiàn)為直接剪切摩擦與拉拔摩擦兩種.土工格柵拉筋的特殊性、不同土體摩擦機(jī)理的復(fù)雜性與筋土相互作用特性在土工格柵加筋機(jī)理中的重要性，決定了研究土工格柵摩擦特性的重要意義.土體與土工格柵間的摩擦力分為兩部分：土顆粒與土工格柵間的咬合力、土體與土工格柵間的摩擦力.

1.3 蠕變特性

土工格柵的蠕變性影響加筋土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.蠕變特性會(huì)導(dǎo)致加筋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重新分布，以致水平位移過(guò)大或整體失穩(wěn).蠕變過(guò)程的應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示.

圖3 蠕變曲線(xiàn)

2 加筋土擋墻的破壞形式

目前，加筋土擋墻的破壞形式主要包括滑移破壞、傾倒破壞、拉斷破壞和拔出破壞.其中，前兩種為外部破壞，后兩種為內(nèi)部破壞.

(1)滑移破壞.如圖4所示，當(dāng)?shù)鼗Σ亮Σ蛔銜r(shí)，滑動(dòng)力大于抗滑力，擋墻會(huì)沿底面發(fā)生整體滑移.

圖4 滑移破壞示意圖

(2)傾倒破壞.如圖5所示，當(dāng)墻頂荷載過(guò)大，且多為偏心作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的偏心荷載，使得傾覆力大于抗傾覆力，導(dǎo)致?lián)鯄A倒破壞.

圖5 傾倒破壞示意圖

(3)拉斷破壞.如圖6所示，筋帶的抗拉強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，原因在于筋帶與面板連接的錨固力不足或筋帶本身腐蝕老化，使抗拉能力減小.

圖6 拉斷破壞示意圖

(4)拔出破壞.如圖7所示，當(dāng)筋土間的摩擦力不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致筋土產(chǎn)生相對(duì)位移，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重變形.

圖7 拔出破壞示意圖

3 斷面計(jì)算與網(wǎng)格劃分

選取青榮線(xiàn)DK316+000斷面.該斷面墻體填料為粉質(zhì)黏土，墻面板為直立形式，采用0.3 m砂石墊層處理地基，與CFG樁(英文Cement Fly-ash Gravel的縮寫(xiě)，意為水泥粉煤灰碎石樁)形成樁網(wǎng)復(fù)合地基.假定擋墻模型為平面應(yīng)變模型，地基寬度為50 m，深度為15 m，樁長(zhǎng)為4 m，樁徑為0.5 m，樁間距為2 m，正方形布置，樁端深入花崗巖0.5 m；擋墻寬度24 m，高度7.2 m；面板厚度0.3 m；路堤采用17層土工格柵處理，間距均為0.4 m，1～12層格柵長(zhǎng)度為8 m，13～17層格柵長(zhǎng)度為10 m.以路基中心為對(duì)稱(chēng)軸，取半結(jié)構(gòu)建立模型.加筋土擋墻計(jì)算斷面示意圖如圖8所示.

圖8 加筋土擋墻計(jì)算斷面示意圖

擋墻受重力、上部路面荷載和列車(chē)荷載的共同作用.設(shè)擋墻的邊界條件為：筋土界面與樁土界面采用接觸單元，施工過(guò)程采用生死單元，模型底部施加豎直和水平雙向約束，路基中心線(xiàn)和左側(cè)地基施工受水平約束，頂部與擋墻左側(cè)為自由邊界.采用大型非線(xiàn)性有限元軟件ADINA進(jìn)行數(shù)值模擬，各材料參數(shù)如表1所示，邊界條件與網(wǎng)格劃分如圖9所示.

表1 材料參數(shù)表

圖9 邊界條件與網(wǎng)格劃分圖

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 工后豎向沉降變形分析

加筋土擋墻土層鋪軌通車(chē)后的工后豎向沉降云圖如圖10所示.

圖10 豎向沉降云圖

從圖10可以看出，最大沉降點(diǎn)位于擋墻中上部，沉降值為12.7 mm，墻頂與面板附近的沉降量相對(duì)較?。幻姘甯浇钔恋某两当韧叨鹊钠渌课惶钔恋某两敌?，原因在于面板迎土側(cè)與附近土體存在摩擦，阻礙了土體沉降；大部分樁與樁之間土的沉降值相同，原因在于樁體有效地控制了地基沉降，使得樁與樁之間土的沉降相對(duì)一致.

4.2 水平位移變形分析

加筋土擋墻土層鋪軌通車(chē)后的水平位移云圖如圖11所示.

圖11 水平位移云圖

由圖11可以看出，最大水平位移點(diǎn)位于擋墻中部面板附近，變形值為5.7 mm，變形量從最大位移點(diǎn)向墻頂與墻底兩側(cè)逐漸減??；同一高度上的水平位移在擋墻側(cè)最大，隨著與擋墻面板距離的增大，水平位移逐漸減小.原因一是面板具有較高的剛度，在一定程度上可抵抗側(cè)向的土壓力；二是格柵的橫向加筋作用使得筋土間產(chǎn)生了較大的摩擦力，且摩擦力主要分布在加筋土擋墻的主動(dòng)區(qū)，從而阻止了土體的水平位移.

4.3 潛在破裂面分析

潛在破裂面的確定是加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.當(dāng)加筋土擋墻無(wú)墻頂荷載作用時(shí)，潛在破裂面的確定可通過(guò)傳統(tǒng)的 0.3H法來(lái)確定，但它并不能準(zhǔn)確地反映有墻頂荷載作用的加筋土擋墻的破壞特征，不適用于城際鐵路領(lǐng)域.實(shí)際上，當(dāng)格柵被拉斷或拔出后，加筋土擋墻將沿破裂面發(fā)生破壞.破裂面可通過(guò)格柵的最大軸力點(diǎn)來(lái)確定.加筋土擋墻破裂面對(duì)比(有限元法、0.3H法)圖如圖12所示.

圖12 加筋土擋墻破裂面對(duì)比圖

5 擋墻變形與破裂面主要影響因素分析

5.1 加筋間距與擋墻變形的關(guān)系

加筋不僅可提高土體的極限強(qiáng)度，抑制塑性區(qū)的發(fā)展，約束土體側(cè)向位移，還可增強(qiáng)擋墻整體性，減少不均勻沉降，保證城際鐵路擋土墻的安全性.一般來(lái)說(shuō)，筋材越密集，筋土總摩擦力越大，擋墻的安全系數(shù)越高，但加筋間距過(guò)小容易造成超筋土，導(dǎo)致浪費(fèi)，且增加施工難度.因此，在保證加筋土擋墻穩(wěn)定的前提下，要充分發(fā)揮加筋的作用，就必須合理地確定加筋率.改變加筋間距可得出各工況下的變形曲線(xiàn).加筋間距與水平位移的關(guān)系如圖13所示，加筋間距與豎向沉降的關(guān)系如圖14所示.

圖13 加筋間距與水平位移的關(guān)系

圖14 加筋間距與豎向沉降的關(guān)系

從圖13、圖14可以看出，當(dāng)加筋間距不超過(guò)0.6 m時(shí)，水平位移量隨加筋間距的增大而增大，但速率緩慢，豎向沉降基本不變；當(dāng)間距超過(guò)0.6 m時(shí)，水平位移量迅速增大，豎向沉降也有所增大.原因在于加筋間距的增大使得筋土接觸面積減少，錨固力不足，與筋材的側(cè)向約束力減弱，導(dǎo)致水平位移增大，而加筋間距對(duì)豎向沉降影響不大.因此，格柵的加筋間距不能超過(guò)0.6 m.

5.2 墻頂荷載與潛在破裂面的走向

確定加筋土擋墻的墻頂荷載，可使擋墻在安全范圍內(nèi)運(yùn)營(yíng).根據(jù)不同荷載作用下各層格柵最大軸力點(diǎn)的位置，可得出不同墻頂荷載作用下的潛在破裂面變化曲線(xiàn)，如圖15所示.

圖15 不同荷載作用下的破裂面曲線(xiàn)

從圖15可以看出，當(dāng)上部無(wú)荷載時(shí)，破裂面形式與0.3H法確定的非常接近，隨著墻頂荷載的增大，破裂面逐漸偏離面板.原因在于墻頂荷載的增大導(dǎo)致荷載影響范圍擴(kuò)大，滑移破壞面的面積增大，擋墻結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低.

6 結(jié)論

本文結(jié)合青榮線(xiàn)城際鐵路加筋土擋墻工程實(shí)際，對(duì)土工格柵的加筋機(jī)理和變形理論計(jì)算進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1)擋墻最大沉降點(diǎn)位于擋墻中上部，墻頂與面板附近沉降較小，大部分樁體可有效控制地基沉降，與樁間土沉降協(xié)調(diào).最大水平位移點(diǎn)位于擋墻面板附近，且逐漸向墻頂與墻底兩側(cè)減小.面板具有較高的剛度，可抵抗側(cè)向土壓力.格柵具有橫向加筋作用，筋土間摩擦力可阻止土體水平位移.距墻底2.0 m范圍內(nèi)，有限元法確定的擋墻潛在破裂面與0.3H法較為接近；2.0 m以上時(shí)，兩曲線(xiàn)逐漸偏離.

(2)加筋間距超過(guò)0.6 m時(shí)，將導(dǎo)致錨固力不足，側(cè)向約束力減弱，水平位移增大，而加筋間距對(duì)豎向沉降影響不大.過(guò)大的墻頂荷載會(huì)使擋墻豎向沉降增大，荷載影響范圍和破裂面的面積擴(kuò)大，導(dǎo)致加筋土結(jié)構(gòu)迅速破壞，降低擋墻的安全系數(shù).