车辆荷载下土工格栅加筋挡土墙动力特性研究

王 怡 罗丹霞 杜雪芳 张训忠

(绵阳职业技术学院 四川绵阳 621010)

近10年来，我国国民经济得到了飞速发展、人们的生活水平也得到了很大改善。拥有一个健全、高效运作的基础设施系统是取得这些骄人成果的必要条件之一。我国地质状况复杂，区域间差异很大，当前道路修建中高等级道路的比例不断增长，对路基处理、防止沉降提出了很高的要求，采用加筋土挡墙这一结构形式无疑的是一种经济、稳妥的解决办法。加筋挡土墙是一种较为特殊的结构形式，其承受的主要载荷是墙背后的填土压力和相关的外部载荷。随着使用时间的增长，挡土墙的稳定性就会减弱，甚至会出现不同程度的失稳现象，尤其当加筋挡土墙作为公路、铁路路基时，其除了可能遭受地震、爆炸等剧烈的动力荷载外，还将长期承受车辆动荷载，因此，对这部分加筋挡土墙的稳定性能提出了更高的要求［1－4］。随着交通流量的增大以及重型车辆的增多，公路路基挡土墙的失稳问题已不是个例，而是具有一定的普遍性，仅山东省交通系统就有不少于30座路基挡土墙在使用过程中发生不同程度的失稳现象。据分析，道路负荷超载是该类问题的主要原因［4－8］。针对以上情况，本文结合工程实例，基于FLAC2D有限元数值分析方法对土工格栅加筋挡土墙在车辆荷载下的动力特性进行研究分析。

1 研究方法

1.1 工程实例

1995年建成的山东省荷泽市人民路公铁立交桥加筋土挡土墙于2000年发生轻微墙体外倾，从2002年开始墙体外鼓变形并逐渐加剧，至2003年6月挡墙出现下列破坏:(1)墙体最大位移超过250 mm，两侧护拦内倾，顶部面板局部脱落;(2)墙面变形引起整个墙体沿轴线方向外鼓，相对鼓出量达100 mm以上，南侧挡土墙外倾严重，墙面混凝土预制块间缝隙明显，部分预制块有破碎缺失现象;(3)路面出现纵向裂缝，并出现局部下陷。

1.2 数值计算模型

由于立交桥两端接线加筋土挡土墙较长，整个墙体沿轴线方向变形很小，可忽略不计，力学分析采用平面应变模型。计算模型宽26.5 m，分别选取挡土墙高度为12 m，10 m，8 m和6 m的剖面，对应的模型高度为17 m，15 m，13 m和11 m。模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动。按前述失稳加筋土挡土墙实例建立的计算模型结构如图1所示。

加筋土挡土墙内填土主要由亚黏土和砂土组成，采用莫尔－库仑屈服准则描述。挡土墙除自重外，主要承受行车形成的动载荷，原设计承载为汽－20 t，挂－100 t，模拟计算动荷载按两种极端情祝考虑，在模型上对称布置4辆30 t载重车，同时作用在计算剖面上，载荷集度为40 kN/m。

图1 17 m加筋挡土墙数值计算简图Fig.1 The numerical calculation diagram of a reinforced retaining wall

1.3 对称车辆荷载下土工格栅受力情况分析

本文根据工程实际情况以及数值分析所得数据得到了挡墙不同高度处土工格栅在车辆荷载下受力随时间的变化情况，如图2所示。

图2 不同高度处格栅轴力随时间的变化图Fig.2 The variation diagram of the grid axial force with time at different heights

根据图2所示各高度处格栅轴力随时间的变化情况可知:(1)在车辆荷载作用前，格栅在静力平衡时，其受力情况随所处高度不同而不同，底部0.5～1.5 m处格栅受力较小，其分布两边大、中间较均匀;当格栅位于2.5～7.5 m时，格栅所受轴力明显增大，且随着格栅所处高度的增加，其两端轴力峰值向中间移动，致使其轴力分布呈“M”形状;当格栅位于8.5～11.5 m时，格栅所受轴力较中部处格栅有所减小，轴力分布呈倒“V”形，且随着高度增加，其峰值处越显“尖锐”。(2)当车辆荷载作用于挡墙剖面时，各高度处格栅轴力随荷载作用时间的增加而增大，各高度处格栅受力分布情况变化不大，但轴力峰值随动载时间的增加有向面板两侧移动的趋势，因每次车辆荷载作用时间仅为0.15 s，其轴力增大幅值有限，当荷载作用完成时，土工格栅凭借其自身良好的弹性性能以及较大的弹性模量和屈服强度使其内部受力最大限度地恢复到先前静力状态，而当挡墙作为路基长期遭受车辆荷载，其上述过程将不断重复，此时可将格栅受力看作是长期的循环荷载，随着时间的推移和环境条件的改变，格栅将出现老化、疲劳以及应力松弛等现象，因此将会出现上述墙体外鼓变形并逐渐加剧等现象。

1.4 对称车辆荷载下不同高度挡墙墙面水平位移

分别以挡墙高度为6 m，8 m，10 m，12 m建立模型，在相同对称车辆荷载条件下进行数值计算，根据各挡墙模型面板在t=0.15 s的水平位移数据得图3。

图3 不同高度挡墙在对称动载下墙面水平位移曲线(t=0.15 s)Fig.3 The horizontal displacement curve(t=0.15 s)of retaining walls at different heights under a symmetric dynamic load

由图3可知，在对称车辆荷载条件下，各高度处挡墙面板侧向位移皆呈鼓状，此点在墙体变形特性研究中得到了应证，且各高度挡墙面板的水平位移峰值都大约出现在墙高的1/2处。当墙体高度较小时(6 m)，由于加筋土体在车辆荷载下自身沉降以及格栅拉力对墙趾处面板的弯矩较小，致使面板的侧向位移不能得以充分发挥，该高度下的墙体具有良好的稳定性。随着墙体高度的增加，面板的侧向位移值有明显的上升，墙体内部格栅受力增大，最为显著的特点是在墙体顶部及底部出现负侧向位移。根据分析，顶部出现负侧向位移的主要原因在于随着墙体高度的增加，表面沉降越明显，浅层格栅在车辆荷载作用下其中部沉降值明显大于两侧，致使浅层格栅与面板的夹角较大，因此产生了较大的水平拉力使面板出现负向侧位移值。在墙趾处出现负向位移的原因在于随着墙体高度的增加，格栅拉力在墙角处产生的弯矩增大，面板在受力过程中以墙角为支点，有顺时针旋转的现象，同时数值计算的结果表明墙趾处有较大的应力集中现象。

2 结论

通过研究，本文得到以下结论:(1)格栅在静力平衡状态下，其轴力的大小与其所处的高度有密切关系。高度较低时(0.5～1.5 m)，格栅受力较小，随着高度的增加(2.5～7.5 m)，格栅受到的轴力呈现增大的趋势，高度达到8.5～11.5 m时，格栅轴力与前高度范围相比有少许回落，轴力在这个范围内变化不大，呈现较稳定状态。(2)墙体外鼓变形并逐渐加剧等现象是由于格栅受到长期的循环荷载作用，随着时间的推移和环境条件的改变，格栅出现老化、疲劳以及应力松弛等现象造成的。(3)面板的侧向位移受墙体高度的影响较显著。随着墙体高度的增加，面板的侧向位移值有明显的上升，墙体内部格栅受力增大，最为显著的特点是在墙体顶部及底部出现负侧向位移。

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