三峡库区某短加筋挡土墙数值模拟分析

胡荣，徐超，朱洪，罗玉珊

（1.同济大学岩土工程与地下结构教育部重点实验室，上海 200092；2.湖北力特土工材料有限公司，湖北宜昌 443003）

0 引言

在一般的边坡防护工程中，加筋挡土墙与重力式挡墙相比，不仅经济效益好，抗震性能突出，而且在视觉效果与环境美观方面也更具优越性[1]。正因为如此，加筋挡土墙在公路、铁路和水利等工程建设中也得到了越来越广泛的应用。在工程实践中，当受施工场地限制，或者特种防护功能的需要，加筋挡土墙中的加筋铺设长度难以达到规范要求的长度。在此种工况下，只要被防护边坡岩土体性能良好，加筋挡土墙仍能保持稳定。这类加筋挡土墙可称为“短加筋挡土墙”，相当于国际上的shored mechanically stabilized soil wall（SMSE Wall）[2]。例如既有填方路堤加宽工程中，在保证正常通车的情况下施工场地非常有限。这种情况下，短加筋挡墙往往是第一选择。再比如风化岩质陡坡的生态防护工程，尽管边坡具有较好的自稳特性，为了边坡绿化而不得不进行坡面固土，此时就没有必要大量开挖岩质边坡，采用短加筋挡土墙能够满足上述要求。

短加筋挡土墙的主要特点是挡墙中筋材长度小于规范规定值，如国内外规范[3-4]中，为了满足挡墙内部稳定性要求，筋材布置长度一般应不小于0.7H（H为挡墙高度），至少不小于0.6H。目前国内外对短加筋挡土墙的研究很少，已有的研究[2，5-6]仅限于1g（g为重力加速度） 模型试验和离心机试验，从加筋长度的影响和土压力分布规律等方面探讨短加筋挡土墙的行为特征。在工程实践中，短加筋挡土墙还缺少理论依据和设计准则。因此有必要对短加筋挡墙进行系统分析。本文结合实例工程，通过建立短加筋挡土墙数值模型，比较全面地模拟了特定工况下短加筋挡土墙的破坏模式和变形特征，分析了墙后锚固等工程措施的作用，所得结果可为类似工程应用提供借鉴。

1 工程概况

三峡库区主干道旁存在一处风化岩质边坡，全线长为200 m，高度为11 m，削坡后的坡比为1∶0.3。拟采用加筋挡土墙进行边坡支护和坡面绿化，如按规范要求，加筋长度应为7.7 m，这将极大地增加挖方量和工程造价。但考虑风化坡体自身基本能够保持稳定，加筋挡墙仅为恢复自然环境及能满足坡顶结构要求，采用了短加筋挡土墙结合锚杆的形式进行防护处理。

本工程中，加筋材料采用80 kN/m土工格栅，加筋层间距为50 cm，加筋长度为4 m，明显小于规范规定值。在加筋挡土墙底部设置厚约10 cm素混凝土垫层，挡墙填料为风化砂，综合内摩擦角不小于34°。为配合墙面绿化，挡土墙墙面由土工格栅反包土袋形成，袋内植草，墙顶种植灌木，以达到坡体绿化的效果。在该工程中，为了加强挡墙与墙后风化岩体的结合，采用岩层锚杆，并与加筋层牢固连接。加筋挡墙基础为埋深30 cm，并预设L型钢筋，钢筋水平长度4 m，竖向长度0.5 m，钢筋水平间距1.5 m。并在地面线以上焊接横向钢筋并将第一层格栅固定在横向钢筋上。基础混凝土等级C25，纵横向钢筋φ25。

2 数值模型建立

2.1 材料的本构关系

本文采用通用Plaxis软件建立三峡库区短加筋挡墙数值模型。在数值模型中，土体与风化岩体的本构模型采用摩尔-库伦模型模拟，该模型可表述为

式中：c和φ为岩土体的强度参数，具体参数见第2.2节表2。

土工格栅材料为只能受拉，不能受压，不具有抗弯刚度的柔性材料，在模型中采用Plaxis自带的格栅单元模拟。格栅单元为线弹性体，是只能沿轴向变形的一维单元。而锚杆注浆段用高强度的格栅单元模拟[7]。挡墙下所设置的素混凝土垫板采用线弹性本构模型。

加筋与土之间的应力传递取决于界面的力学特性。数值模型中，格栅与土体、锚杆注浆段与岩体采用界面单元模拟二者之间的相互作用。Plaxis软件引入了界面单元的概念，可以模拟在施工或运营过程中土工格栅与土之间的相互作用和相对滑动现象。界面单元的强度定义为：

式中：Rinter为c和tanφ的折减系数。

2.2 建立模型

模型建立如图1所示，加筋挡土墙各构成材料的具体参数见表1和表2。

2.3 数值模拟结果与分析

采用上述建立的三峡库区某短加筋挡土墙数值模型进行分析，图2和图3分别为挡墙的水平位移云图和竖向位移云图。模拟结果显示，风化岩体变形很小，自身保持稳定。

表1 格栅和锚杆参数表

表2 填土及风化岩体等参数表

图2显示，短加筋挡土墙最大水平位移出现在墙体中部偏下的位置，达到121.4 mm，即墙体发生较明显的侧向鼓出。挡墙上部由于回填砂土和微风化岩体强度存在明显差异，使得墙体水平位移与岩体的水平位移有突变。挡墙中下部分由于有锚杆直接与筋材相连接，墙体水平位移和墙后岩体的水平位移无明显突变现象。

由图3可知，短加筋挡土墙上部竖向位移最大，达到了160.79 mm。同水平位移一样，在挡墙上部，回填土与岩体之间也存在明显的位移突变现象，而在中下部则由于锚杆的存在，一定程度上限制了回填土的水平和竖向位移，表现为无明显的突变现象。

挡墙柔性面板后的主动土压力分布如图4所示，挡墙顶部9～11 m范围内的主动土压力分布与郎肯土压力近似，9 m以下土压力与郎肯土压力相差明显，底部最大主动土压力约为22 kPa，仅为郎肯主动土压力的46%，这与目前已有短加筋土压力研究结果[8-9]相似，但不同于普通加筋挡土墙土压力分布[10]。

数值分析结果还显示：原微风化岩体的变形很小，其最大位移仅为400×10-12m。可见原风化岩体自稳性很好。修筑加筋挡土墙有利于增加原风化岩体的稳定性，表现为挡墙对原岩体开挖面具有较大的正应力和剪应力。垂直开挖面的正应力从上至下呈增加趋势，底部达到最大约为55 kPa；平行开挖面的剪应力上部较小，中下部则较大，最大达到96.5 kPa。

各根筋材表面的剪应力、拉应力分布都相似，均为前端较小，末端较大，而锚杆拉应力则是前端较大，末端较小，趋于0。各根锚杆（锚杆编号见图2） 所受拉应力和剪应力的最大值列入表3。

表3 锚杆受力情况

挡墙内部筋材受力分析：由于目前国内外对于反包式加筋挡墙柔性面板的模拟还不成熟，且限于作者有限的知识，此次短加筋挡墙的筋材受力分析中面板处筋材受力尚存在不足。抛开面板处筋材受力情况，总的来说，挡墙内部筋材受力情况比较复杂，与传统挡墙内部筋材受力差别大，图5为部分筋材受力情况分析，由图可见，2 m以下筋材的受力类似于传统加筋挡墙筋材受力，越靠近面板，其所收到的拉应力越大。2 m以上筋材受力则明显不同于传统加筋挡墙，其中与3、4号锚杆相连的筋材连接处出现较大的拉应力，即图5中上扬段。分别为为23.9 kN/m、21.1 kN/m。其余筋材拉力最大值均发生在挡墙内部，靠近被挡岩体处最小。

3 参数研究与对比分析

为进一步研究短加筋挡土墙的受力特性和变形特点，参考实际工况，对短加筋挡土墙进行参数研究，考虑如下不同工况：1）在其他条件不变的情况下，调整加筋层间距，层间距采用40 cm和60 cm两种情况；2）取消岩层锚杆；3）在风化岩体上部增加4层锚杆。

3.1 加筋间距的影响

在数值模型中，调整土工格栅层间距分别为40 cm和60 cm，进行短加筋挡墙数值模拟。图6给出了不同加筋层间距情况下墙面水平位移随墙高的变化。结果显示，格栅的间距对短加筋挡墙的位移具有明显的影响，随着加筋间距的增大，挡土墙的最大位移、水平位移和竖向位移也都随之增大。当加筋间距为40 cm的时候，其最大总位移为135.1 mm，比加筋间距为50 cm的最大位移小约38 mm；而间距为60 cm时候的位移为206.7 mm，比50 cm加筋要大约34 mm。但在墙体稳定的前提下，加筋间距并不影响短加筋挡墙的整体变形模式，都是在中部偏下的位置处水平位移最大，只是随着加筋间距越大，其侧向变形量越大。

3.2 有无锚杆对比分析

取消图1中的岩层锚杆，对短加筋挡墙进行模拟，所得水平位移云图见图7。对比图7与图2可知：不加锚杆时，其变形特点与加锚杆相似，最大水平位移发生在中间部位偏下的位置处，呈现出“腰鼓形”鼓出，最大水平和垂直位移分别有126.8 mm，比加锚杆时大了约5.4 mm，而且鼓腰的位置略有下移，垂直位移则无明显变化。加筋挡墙与风化岩体之间的位移突变点也出现了一定程度的下移，约1 m左右。可见，锚杆对于短加筋挡墙的水平位移影响不大，但对墙体的竖向变形具有一定的限制作用。

3.3 不同锚杆层数对比分析

在原模型的基础上建立了增加上部锚杆的模型，上部锚杆长3 m。图8所示为增加锚杆后挡墙的水平位移云图。通过图2与图7的对比，可以看出，上部锚杆的存在改变了短加筋挡土墙的变形特点。挡土墙的水平向最大位移处仍在中间部位处，但是其不再呈现出“腰鼓”现象，说明上部锚杆对于挡土墙的变形量也有一定程度的控制作用，具体表现为最大位移减小了约27 mm，水平和竖向位移分别减小了约31 mm、39 mm。

4 结论

结合三峡库区风化岩体边坡防护工程实例，采用数值模型对短加筋挡土墙进行数值模拟和参数研究，在模拟结果分析的基础上可以得出以下结论：

1） 短加筋挡墙和墙后风化岩体的变形存在明显的突变，变形主要集中在短加筋挡墙部分，岩体变形很小，且岩体对加筋挡墙的作用力也很小。

2） 短加筋挡墙的变形特点：水平位移最大处位于挡土墙中间略偏下的部位，表现为“腰鼓形”鼓出；竖向位移最大处则位于挡墙顶面附近，表现为挡墙沉降。

3） 墙体后岩体中锚杆的分布对短加筋挡墙的变形和受力情况影响明显。由于墙后风化岩体具有自稳能力，对加筋挡土墙土压力较小，打设锚杆并与筋材直接连接的作用主要是限制挡墙的变形，调整挡墙与被挡岩土体之间的相对位移。

4） 加筋间距对短加筋挡墙的变形有明显影响。与一般的加筋挡土墙类似，随着加筋间距的变大，相应的挡墙的总位移、水平位移和竖向位移均增大。

[1] 徐超，邢浩枫.土工合成材料[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]Morrison K F，Harrison FE，Collin JG，et al.Shored Merchanically Stabilized Earth （SMSE）Wall Systems Design Guidelines（Report No.FHWA—CFl/TD—06—001）[R].Washington DC：Federal Highway Administration，2006.

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[5] Frydman S，Keissar I.Earth Pressure on Retaining Walls near Rock Faces[J].JGeotech Eng，113（6）：586–599.

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[7] 刘彩云.Plaxis岩土工程软件使用指南[M].北京：人民交通出版社，2010.

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