柔性生态加筋挡土墙的基底应力计算方法研究

宋静晓,王建群,刘　泽,廖为东

(1.嵊州市公路管理局, 浙江　嵊州　312400;2.衢州市交通工程质量安全监督站, 浙江　衢州　324000;

3.湖南科技大学　土木工程学院, 湖南　湘潭　411201;4.丽水海为工程技术有限公司, 浙江　丽水　323406)

柔性生态加筋挡土墙的基底应力计算方法研究

宋静晓1,王建群2,刘泽3,廖为东4

(1.嵊州市公路管理局, 浙江嵊州312400;2.衢州市交通工程质量安全监督站, 浙江衢州324000;

3.湖南科技大学土木工程学院, 湖南湘潭411201;4.丽水海为工程技术有限公司, 浙江丽水323406)

摘要:基底应力计算是支挡结构设计验算的重要内容之一。在分析柔性生态加筋土挡墙结构特性的基础上，结合数值分析和理论研究，讨论了柔性生态加筋土挡墙内竖向应力的分布规律与基底计算方法的差异，提出了柔性生态加筋挡土墙基底应力计算方法建议。研究表明：柔性生态加筋挡土墙的基底压力呈非线性分布，在面墙侧较小而筋材末端较大；加筋体后水平土压力的力矩作用不明显；建议采用梅耶霍夫理论进行计算。

关键词:生态加筋，挡土墙

0引言

目前工程上应用的支挡结构多采用混凝土或块石构建，如干砌或浆砌重力挡土墙、片石混凝土挡墙、扶壁式挡土墙、桩板式挡土墙等。这些挡土墙不仅材料生产能耗高、圬工多、施工难度大、施工质量难以保证，而且隔断了工程结构上下两方的生态连续性，结构功能也会随着材料风化而降低，生态景观功能欠缺[1-2]。

近年来，柔性生态加筋挡土墙在路基边坡支挡中得到了大力推广。这是一种将加筋土技术和生态护坡技术相结合的新型支挡结构，可以实现路基边坡深层加筋和浅表面植物根系加筋的时空耦合加固，具有优良的力学与生态功效，已在浙江黄衢、绍诸、杭新景等多条高速公路上得到成功应用[2]。然而作为一种新型支挡结构，相关的理论研究还远落后于工程实践。文献[2-5]对柔性生态加筋挡土墙开展了一些试验研究、数值分析和理论研究，但工程设计一般用传统的加筋土挡墙设计方法。本文结合浙江省交通科技项目(2013H27-4)和湖南省教育厅科研项目(13C311)已有研究成果，分析了不同规范中加筋土挡墙基底应力计算方法的差异，给出了柔性生态加筋挡土墙基底应力计算方法建议。

1柔性生态加筋挡土墙

柔性生态加筋挡土墙是通过加筋提高土体的强度和整体性，发挥支挡作用，同时可在挡墙墙面种植灌木、草本等植物，形成绿化的立体生态支挡系统[2]。与传统的重力式挡土墙相比，柔性生态加筋挡土墙通过加筋土工合成材料提高土体的力学性能，具有整体性高、对地基适应强、施工简单、效率高等优点；与传统有面板加筋土挡墙相比，柔性生态加筋挡土墙一般采用土工合成材料反包形成倾斜式墙面，没有刚性面板，可以在面墙上植生绿化，形成工程景观，实现路基深部土工合成材料加筋、浅表面植物根系加筋的时空耦合加筋护坡，随植物根系的生长实现路基边坡稳定性增长的目标。

目前柔性生态加筋挡土墙的结构较多，其中以包裹式土工格栅加筋土挡墙(见图1、图2)、钢丝网片类加筋土挡墙(如绿色加筋格宾挡墙，如图3、图4所示)、生态袋加筋土挡墙和土工格室加筋土挡墙等应用较多[6]。

图1　土工格栅包生态袋加筋土挡墙结构图

图2　土工格栅包生态袋加筋土挡墙

图3　绿色加筋格宾单元

图4　绿色加筋格宾挡墙

2柔性生态加筋挡土墙基底应力分布规律

2.1工程背景

为了提高路基的稳定性，减少耕地占用并提高工程建设的生态环保功能，绍诸高速公路K38+325～K38+485路段采用了绿色加筋格宾挡土墙，其断面设计见图5。该挡墙高10.62 m，由13层层高为0.76 m的绿色加筋格宾单元组成，墙面坡比为1:0.466。

2.2现场实测

该挡土墙建造时,笔者结合科研需要在挡墙内第2、6、10层筋材下方埋设了土压力盒。布置时沿筋长方向每隔1.3m布置一个，每层5个，共计15个土压力盒，并随施工进展进行监测土压力的变化[3]，监测结果见图5、图7。分析可知，墙内竖向土压力随上方填土高度增加而增大，沿筋长方向呈非线性分布，由于墙面倾角的卸荷作用，绿色加筋格宾挡墙墙面附近的竖向土压力最小。

图5　绿色加筋格宾挡墙断面设计图

图6　第二层筋材处的竖向土压力分布图

图7　第二层筋材处的竖向土压力分布图

图8　第二层筋材处的竖向土压力分布图

2.3数值分析

由于实测数据较少，这里再进行数值分析以便更好的了解墙内竖向应力的分布规律。根据图5，采用FLAC3D建立如图9所示的半路堤式分析模型，模型顶宽13 m，高20.62 m，长20m，沿路线方向取1米。路基填料及地基土体采用Mohr-Coulomb准则，筋材采用FLAC3D自带geogrid单元[7]模拟。岩土体、筋材及筋土界面参数见表1和表2。

图9　加筋土挡墙分析模型

密度/(kg/m3)体积模量/MPa剪切模量/MPa粘聚力/kPa摩擦角/°填料196023×1034×1032521地基236033×1037×10318043

表2　筋材的力学参数

2.4结果分析

数值分析时先对地基进行计算，平衡后再填筑路基。路基填筑完成后再在模型顶部施加10kN/m的等效车辆荷载。

数值分析取得了较多的数据，结合本文研究目的，仅取竖向应力进行分析。图10为墙内竖向应力分布云图。分析可知，数值分析的结果与实测规律基本相同，加筋体部分的竖向应力呈非线性分布，在面墙侧较小，在筋长方向上随深度增加竖向应力增大。加筋体后的竖向土压力基本上为均匀分布。将第1、3、5、7、9、11层筋材所在位置(相应墙高为h=0、1.52 m、3.04 m、4.56 m、6.08 m、7.60 m)的竖向应力导出，如图11所示。可见，不同墙高处的竖向土压力分布规律基本相似，均为面墙侧小、筋材末端大，基本上都可以简化为两段式折线型，且第一段折线(面墙侧)的斜率大，第二段斜率小；随着墙高增加，面墙侧与筋材末端间的竖向土压力差值减小。

竖向土压力的这种分布特点主要受三方面的影响所致：一是柔性生态加筋挡土墙的墙面有一定的倾角，类似一边坡，坡面侧的竖向压力小于内部压力；二是柔性生态加筋土挡墙采用柔性筋材反包形成墙面，墙面刚度较小，易产生变形，有明显的卸荷作用；三是结构为柔性体，与传统支挡结构相比，整体刚度小，墙后土压力形成的力矩作用不明显，竖向土压力主要来自上覆土体与墙顶荷载。

σvmax≈γh

(1)

图10　竖向应力分布云图

图11　不同层位竖向土压力的分布曲线

3柔性生态加筋挡土墙基底应力计算方法

3.1加筋土挡墙竖向应力的常用计算方法

竖向应力计算是加筋土挡墙设计的重要内容之一，涉及筋材的抗拔力计算和地基承载力计算等内容。现有的分布理论主要有三种：均匀分布、梯形分布、梅耶霍夫(简称梅氏)分布。

一般在筋材抗拔力计算时认为竖向应力为均匀分布，但现有现场实测数据并不支持这一观点，而现场数据同样具有许多不确定性。因此，一些专家认为考虑到墙后土压力作用的影响，竖向应力为梯形分布[8]。在地基承载力验算时一般将加筋体看作刚体，等效为重力式挡土墙。

重力式挡土墙基底应力计算采用材料力学中偏心受压杆件的应力计算公式：

(2)

(3)

(4)

规范还要求，对于土质地基偏心距不应大于B/6，即要求不出现基底与地基土脱离现象，对于岩地基偏心距不应大于B/4。

梅氏分布也考虑了加筋体后填土压力的影响，用L-2e(e为竖向合力的偏心距)代替拉筋长度L，假定在L-2e的长度上竖向应力为均匀分布，如图12所示。

图12　竖向应力梅氏分布

(5)

可见，两种方法的基底最大应力都与偏心距有关，随偏心距的增大而增大，两者都要求偏心距应小于B/6。

(1)公路规范法

此时，基底应力为三角形分布，最小应力为0。

(2)梅氏法

可见公路规范法的计算结果较梅氏法大。

3.2不同计算方法的对比

柔性生态加筋土挡墙是由土工合成材料与呈颗料状的填土构成的复合体，为一柔性结构，与刚体假设差别较大；而且柔性生态加筋挡土墙多采用等长布筋，受墙面倾角影响，当等效为重力式挡墙时，相于一俯斜式挡土墙，墙后土压力的竖向分量较小，基底合力的偏心距多为负值，基底竖向应力主要来自填土自重与墙顶附加荷载。有必要进一步对比不同方法间差别，提出符合设计人员习惯的基底应力计算方法。

以3.1中的绿色加筋格宾挡墙为例，分别采用公路规范法、梅氏法和填土重力法进行计算，并与数值分析计算结果进行对比。首先建立如图13所示的计算模型，G=1449.63kN/m，按库仑理论计算加筋体后土压力得EX=216.51kN/m，Ey=5.63kN/m，P=59.83kN/m，χG=5.39m，χp=8.96m，χEX=3.71m，yEy=8.73m，可计算得偏心距e=-1.51m，再分别采用不同方法计算基底最大竖向应力，并以数值分析的计算结果为基础，计算不同方法的相对误差，计算结果见表3。

表3　不同方法计算的基底最大竖向应力

可见，公路规范法的计算结果最大，梅氏法的计算结果与重力法相当，均比数值法略大。由于梅氏法考虑到了基底合力偏心距的影响，而且加筋确实可以提高加筋区整体性的实际，故建议采用梅氏法计算柔性生态加筋挡土墙的基底应力。

图13　基底应力计算图

4结语

本文通过数值分析和理论研究，对柔性生态加筋挡土墙的竖向应力分布规律和基底应力计算方法进行了研究，主要结论有：

(1)柔性生态加筋挡土墙墙内的竖向应力呈非线性分布，在面墙较小筋材末端较大，加筋体后水平土压力的力矩作用不明显，墙内竖向应力主要来自填土自重与墙顶附加荷载。

(2)柔性生态加筋挡土墙的加筋体是柔性结构，与理论刚性体有明显差别，基底应力分布规律与《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)建议计算方法有较大差异。

(3)综合考虑加筋体的力学特性和现有设计习惯，建议采用梅氏应力法计算柔性生态加筋挡土墙的基底应力。

参考文献：

[1]周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]刘泽.生态型加筋土挡墙动静力学特性试验研究与数值分析[D].长沙:中南大学,2012.

[3]刘泽,杨果林,申超,等.绿色加筋格宾挡墙现场试验研究[J].中南大学学报:自然科学版,2012,43(2):709-716.

[4]刘泽,杨果林,申超,等.加筋土挡墙结构系统的可靠性分析[J].中南大学学报:自然科学版,2012,43(3):1160-1165.

[5]刘泽,杨果林,徐健楠,等.半挖半填工况加筋土挡墙失稳机制试验研究与上限法分析[J].岩石力学与工程学报,2013,32(5):1032-1041.

[6]陈建荣,俞红光,黄天元.柔性生态挡墙在浙江高速公路中的应用[J].浙江交通职业技术学院学报,2010,11(1): 20-24.

[7]刘波,韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8]杨广庆,吕鹏,庞巍,等.返包式土工格栅加筋土高挡墙现场试验研究[J].岩土力学, 2008，29(2):517-522.

Study on The Basal Stress Calculation Method of Flexible

Eco-reinforced Retaining Wall

SONG Jing-xiao1, WANG Jian-qun2,LIU Ze3,LIAO Wei- dong4

(1.Shengzhou City Highway Administration Bureau, Shengzhou 312400,China;

2.Quzhou City Traffic Engineering Quality Safety Surveillance, Quzhou 324000,China;

3. School of Building, Hunan University of Science and Technology Hunan, Xiangtan 411201,China;

4. Lishui City Haiwei Engineering Technology Co. Ltd.,Lishui 323406,China)

Abstract:Basal stress calculation is one of the important contents of retaining structure design. After anglicized the structure characteristic of the flexible eco-reinforced earth retaining wall, its vertical stress distribution was studied by numerical analysis and theoretical study, and the differences of calculation methods were contrasted, then a method for basal stress calculation was recommended. Research shows that: the base pressure distribution of flexible eco-reinforced earth retaining wall is nonlinear, which near the wall face is smaller than that near the reinforcement end, the torque effect after reinforcement of horizontal earth pressure is not obvious, the calculation method based on Meyerhof theory is recommend.

Key words:flexible eco-reinforced retaining wall; basal stress; calculation method; design

浙江交通职业技术学院学报，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

作者简介：徐进(1984-)，男，四川广元人，助教，硕士，E-mail：33084998@qq.com。

收稿日期：2014-10-30

文章编号：1671-234X(2015)01-0022-06

中图分类号:TU471?

文献标识码：

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.01.006