土工格栅加筋土挡墙土压力测试与有限元分析

吕 鹏，汤劲松，刘 杰，郭 强

(石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

1 研究背景

通过在挡墙内铺设加筋材料可改变其内部应力应变分布特性［1］。依靠铺设在挡墙体内土工格栅的加筋作用，可提高复合土体的模量，进而减小挡墙面板处向外的水平位移。由于土力学基本理论是基于土体的位移特性来进行支挡结构土压力计算的，因此加筋土挡墙面板后的侧向水平土压力不宜按照传统的朗肯、库伦土压力理论进行计算［2］。我国公路、铁路部门采用变系数法进行相应计算［3－4］，即挡墙面板处侧向水平土压力系数随深度变化，垂直土压力仍按照 Σγh计算，其中γ为重度，h为高度。

挡墙内的土压力分布直接影响支挡结构的变形与稳定，为研究加筋土挡墙的土压力分布规律，分析土工格栅的加筋效果，以及验证设计理论，本文结合某公路土工格栅加筋土挡墙进行了土压力现场测试，采用有限元方法进行了数值分析，进而总结了土工格栅加筋土挡墙的土压力分布规律。

2 试验方案

2.1 工程概况

某公路土工格栅加筋土挡墙高7.6m，采用高×厚 ×长为0.3 m×0.2m×1.2m的砌块式预制钢筋混凝土面板，土工格栅铺设间距为0.3 m/层，加筋刚度500 kN/m，长10m，采用现浇钢筋混凝土刚性基础，填料采用土石混合料，挡墙下基础为弱风化砂岩。

2.2 土压力测试仪器布设

采用土压力盒进行土压力测试，具体布置(如图1)为:面板后水平土压力测试从基础处向上，每上升1m高度设置1个土压力盒;挡墙基底及挡墙中部(距挡墙基底高3.6m处)垂直土压力测试由墙趾处开始沿水平方向每4m设置1个土压力盒［5］。

图1 土压力盒布置图Fig.1 Arrangement of soil pressure cell

3 有限元建模

计算采用岩土工程专业有限元程序Plaxis进行，在确定材料本构关系及其参数基础上建立了有限元计算模型。

3.1 材料本构及参数

土工格栅采用程序提供的Geotextile材料单元予以模拟，格栅刚度EA=500 kN/m。

采用设置接触单元模拟筋土作用:即通过系数Rinter反映筋土之间互相作用的强弱，结合填料特性和程序说明取Rinter=0.67进行计算。挡墙填料采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，其力学参数见表1。

表1 挡墙填料力学参数Table 1 Mechanics parameters of the filling material of retaining wall

3.2 加筋土挡墙有限元模型

模型高取7.6m，基底向下取10m、左侧25m、右侧考虑对称取20m;面板与基础之间为刚接，面板之间简化为铰接。建立的有限元模型(FEM)如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

4 理论值及实测结果对比

我国公路、铁路部门相关规范采用变系数法进行加筋土挡墙面板后水平土压力设计;挡墙体内的垂直土压力仍按照 Σγh进行设计［6］。为验证有限元数值计算结果的可靠性，结合设计值、现场实测值进行了对比，具体可见表2和表3。

由表2及表3可知:

(1)FEM计算值和实测值较为接近，规律一致，说明了采用有限元法进行分析的可行性。

(2)挡墙面板处的侧向水平土压力FEM计算值和实测值均明显低于设计值，在沿墙高的分布规律上存在较大的差异(见表3):FEM计算值和实测值均表明自上而下无明显增大，而设计值则表现为自上而下的递增规律。

(3)表2反映了垂直土压力实测值最大、有限元计算值最小，结合现场施工记录分析其原因在于碾压施工导致实测值偏大。

表2 挡墙基底和中部垂直土压力对比Table 2 Comparison of vertical earth pressure in the basement and middle of retaining wall

表3 挡墙面板墙背水平土压力对比Table 3 Comparison of lateral earth pressure behind retaining wall’s panel

5 工程因素对挡墙内土压力的影响

在加筋土挡墙内由于土工格栅的加筋作用，故导致了挡墙体内应力重分布。本文分析了填料重度及土工格栅性能(刚度、长度、间距)对挡墙内土压力分布的影响规律，并与按照规范［7］所得到的设计值(间距0.3 m)予以了对比。

5.1 土工格栅竖向加筋间距的影响

依次取土工格栅竖向加筋间距为0.3，0.6，0.9 m，对比计算结果如图3所示。

图3 加筋间距对土压力的影响Fig.3 Effect of reinforcement spacing on earth pressure

由图3可见:面板处水平土压力值随土工格栅竖向铺设间距的减小而减小，而垂直土压力无明显变化;当间距超过某一值后，面板处水平土压力值明显增大;由于土工格栅的加筋作用，面板后水平土压力值并非单调递增。基底处的垂直土压力在面板附近有明显波动，分析其原因应与挡墙面板自重向下传递导致垂直荷载明显超过设计值相关。基底其它处垂直土压力与按设计公式 Σγh计算值无明显差异，反映了加筋间距对基底处垂直土压力无明显影响。

5.2 土工格栅加筋刚度的影响

依次取土工格栅加筋刚度为250，500，1 000 kN/m，对比计算结果如图4所示。

图4 加筋刚度对土压力的影响Fig.4 Effect of reinforcement stiffness on earth pressure

由图4可见:随土工格栅的刚度增大，面板处的水平土压力值减小，反映了土工格栅加筋作用对土体变形的约束作用;刚度超过一定值后对减小面板处的水平土压力值的效果不再明显增加，而当刚度小于某一限值后面板处的水平土压力值明显增大;在土工格栅加筋作用下，水平土压力值并非单调递增。加筋刚度变化对基底处的垂直土压力无明显变化，除在面板附近垂直土压力出现明显的波动外，基本符合按 Σγh公式计算的设计值。

5.3 土工格栅加筋长度的影响

土工格栅加筋长度依次取为10，7，4m，对比计算结果如图5所示。

由图5可见:对面板处水平土压力的影响与其加筋长度有关，当加筋长度较短时挡墙墙背面板处的水平土压力值接近变系数法的计算结果，因此在设计使用中应保证足够的土工格栅加筋长度。加筋长度对垂直土压力的影响不明显，除在面板附近有明显波动外基本和按照 Σγh公式计算的设计值基本一致。

图5 加筋长度对土压力的影响Fig.5 Effect of reinforcement length on earth pressure

5.4 填料重度的影响

图6 填料重度对土压力的影响Fig.6 Effect of filling material’s weight density on earth pressure

由土力学理论可知，填料重度直接影响土压力的大小，故依次取重度17，18，19 kN/m3予以计算对比。

由图6可见:当土工格栅按照原建模长度、刚度、铺设间距考虑时，计算结果表明填料重度对面板处水平土压力无明显影响，水平土压力值并未受填料重度改变而明显变化，体现了土工格栅的加筋作用对应力分布的影响;水平土压力均明显小于按变系数法得到的设计值，且在距挡墙顶部一定深度后其数值表现为基本不再增大的规律，也与设计值随深度依次增大规律不同。填料重度改变对基底垂直土压力有明显影响，除在面板附件有明显波动外，与按 Σγh得到的设计值相符。

6 结论

综合分析上述现场测试、数值计算等内容可得如下结论:

(1)有限元计算结果和现场测试结果数值接近，规律一致，说明可采用有限元方法对加筋土挡墙内部的土压力分布及其变化规律进行研究分析。

(2)由于土工格栅的加筋作用，故影响了挡墙内的应力分布规律:当土工格栅的垂直铺设间距较小，刚度和长度达到一定值后可明显减小挡墙面板处的水平土压力值，且其规律明显不同于按照变系数法得到的设计值。故应采用合理的土工格栅设计参数，从而减小挡墙面板处的水平土压力，有利于挡墙的稳定。填料重度变化对面板处的水平土压力无明显影响。

(3)基底处的垂直土压力在面板处有明显波动，部分数值超越设计值，在设计和使用中应予重视。在其它位置，计算值和设计值基本相符，说明土工格栅加筋对挡墙基底处垂直的土压力分布无明显作用。

［1］包承纲.土工合成材料应用原理与工程实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2008:169－177.(BAO Cheng-gang.Principle of the Application of Geosynthetics and Engineering Practice［M］.Beijing:China Water Power Press，2008:169－177.(in Chinese))

［2］徐 超，罗玉珊.加筋土挡墙设计方法对比与实例分析［J］.水文地质工程地质，2011，38(5):43－47.(XU Chao，LUO Yu-shan.Comparison of Design Methods for Reinforced Soil Wall and Example Analysis［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2011，38(5):43－47.(in Chinese))

［3］JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.(JTGD30—2004，Specifications for Design of Highway Subgrades［S］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))

［4］TB 10025—2006，铁路路基支档结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.(TB 10025—2006，Code for Design on Retaining Structures of Railway Subgrade［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2006.(in Chinese))

［5］杨广庆，周亦涛，周乔勇，等.土工格栅加筋土挡土墙试验研究［J］.岩土力学，2009，30(1):206－210.(YANG Guang-qing，ZHOU Yi-tao，ZHOU Qiao-yong，etal.Experimental Research on Geogrid Reinforced Earth Retaining Wall［J］.Rock and soil Mechanics，2009，30(1):206－210.(in Chinese))

［6］杨广庆.土工合成材料加筋土挡土墙变形控制研究［R］.石家庄:石家庄铁道学院，2005.(YANG Guangqing.Study on Deformation Control of Geosynthetics Reinforced Earth Retaining Wall［R］.Shijiazhuang:Shijiazhuang Railway Institute，2005.(in Chinese))

［7］JTJ 015—91，公路加筋土工程设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1991.(JTJ 015—91，Specifications for Design of Highway Reinforced Earth Engineering［S］.Beijing:China Communications Press，1991.(in Chinese))