圬工与加筋土组合挡土结构的现场试验与数值分析

张　明，任　亚，贾　斌

（1.湖北省交通规划设计院，湖北武汉430051；2.华东电力设计院有限公司，上海200063）

圬工与加筋土组合挡土结构的现场试验与数值分析

张明1，任亚1，贾斌2*

（1.湖北省交通规划设计院，湖北武汉430051；2.华东电力设计院有限公司，上海200063）

在山区高陡边坡上修筑路堤面临诸多问题，文章介绍了采用圬工重力式挡墙与土工格栅加筋土挡墙组合结构解决这一问题的方法和手段。试验段研究和基于监测成果的数值分析表明：在圬工与加筋土组合挡土结构中，下部圬工挡墙相当于上部加筋土挡墙的基础，加筋土挡墙是圬工挡墙的附加荷载，圬工挡墙嵌入基岩十分必要；这一组合支挡结构可以适应山区复杂多变的工程地质条件，技术灵活可控；在加筋土挡墙的诸多参数中，层间距对挡墙变形具有显著影响，应加以限制，而从抗拔稳定角度看，加筋长度达到0.6倍的墙高即可。

加筋土挡墙；圬工重力式挡墙；组合挡土结构；现场试验；数值分析；层间距

0　引言

山区地貌形态多样，地形起伏陡峭，构造复杂，岩土构成多变，使山区复杂条件下高等级公路、铁路建设面临严峻挑战。尽管随着现代施工技术的发展，山区道路建设中桥梁与隧道的应用越来越多，但受各种客观条件的限制，如受环境保护和填挖平衡的控制，高路堤在国内外山区交通基础设施建设中仍然是通行的做法。

在山区高陡边坡上建造填方路堤，不仅施工场地狭小，施工难度大，而且经常面临路基稳定性问题。为了保证路基的稳定性，山区填方路基施工往往与支挡结构形影不离。在各种支挡结构中，土工合成材料加筋土挡墙（陡坡）在投资、施工便利性和环境协调性等方面都具有很大的优势，一般都能够很好地解决山区道路填方路基的建造问题。

但是，土工合成材料加筋土挡墙在造价方面的优势随着填方高度增加将逐渐丧失，这是因为按照现行设计理论和标准[1-3]，加筋材料的用量（加筋长度）和加筋材料的强度都与填方高度成正比。同时，实践中还发现在山区边坡上修建填方路基时，如采用加筋土挡墙，加筋长度也会受到岩质边坡的限制，出现短加筋的情形[4-5]，使问题变得更加复杂。

针对这些特殊情况，提出了圬工（重力式）挡墙与加筋土挡墙上下叠置、组合使用的支挡结构形式，并进行了离心模型试验研究工作[6]。本文依托湖北省十堰至房县高速公路建设工程，通过试验段的施工监测，对这种组合式挡土结构的工作性状进行分析。在现场试验成果基础上，利用Plaxis软件，对加筋土挡墙的加筋层间距进行了参数分析，可为类似工程的应用提供借鉴。

1　现场试验研究

1.1试验段概况

湖北省十堰至房县高速公路第5合同段GK0+ 308—GK0+463段位于丹江口市官山镇附近，长约155 m，路面高程位于半山腰，原山坡坡度介于25。～50。之间，一侧临河，场地狭小，技术选择受限。经多方案综合比较分析，结合旅游区生态保护的要求，选择圬工挡墙+加筋土挡墙的组合式支挡结构（见图1）。即先在下部修筑圬工重力式挡墙，然后在圬工挡墙之上建造土工合成材料加筋土挡墙。

图1　组合式挡土结构及监测布置Fig.1 Layout of com posite structure and monitoring sensors

根据试验段的工程地质条件，下部圬工重力式挡墙依山势而建，坡度1∶0.25，高度2.13～ 15.61m不等。挡墙基底嵌入基岩，现场浇筑，墙后就地取材，填筑压实残坡积土和含砾粉质黏土。在圬工挡墙之上修建土工格栅加筋土挡墙，向内错台1m，坡度1∶0.25，土工格栅的层间距50 cm。采用土工格栅返包柔性墙面，返包长度1 m，墙面填土植生袋，以利于生态护面。试验段中间段落的加筋土挡墙高度H=11 m，加筋长度9 m，按公路路基设计要求在墙顶填筑1 m厚无筋、坡度为1∶1.5的路基填土，见图1所示组合挡土结构形式。

加筋土挡墙的填土同样采用含砾粉质黏土，根据勘察资料并综合考虑，其内摩擦角取为38。，黏聚力取0 kPa。

试验段的中间段落也是本次重点研究的段落，由于采用了2种加筋材料（HDPE拉伸格栅和PET焊接格栅），在试验段设置了2个监测断面，布设的监测元件包括土压力计、柔性位移计和带沉降磁环的测斜管，如图1所示。

在圬工重力式挡墙（包括墙后填土）施工完毕后，按监测方案要求，于2013年4月6日开始对加筋土挡墙进行施工期监测，至7月15日结束，历时101 d。并于12月7日对试验段回访（见图2），进行了0.5 a后的工后监测。目前十方高速公路已通车1 a多，该试验段已经过两个雨季，组合式支护结构运行良好。

图2　试验段竣工0.5 a后的照片Fig.2 Photo ofpilotsection half a year after completion of construction

图3　竖向土压力监测结果Fig.3 M onitored resu ltsof verticalear th p ressure

本文将依据HDPE土工格栅加筋土挡墙断面的监测结果，分析圬工与加筋土组合式挡土结构的工作性状，并在此基础上进行影响因素的数值模拟。

1.2监测结果与分析

鉴于下部现浇圬工重力式挡墙基底嵌入基岩，同时观测结果也显示，在加筋土挡墙施工期间圬工挡墙的墙趾和墙顶均无明显变化，因此认为在此试验段中，下部圬工挡墙相当于加筋土挡墙的刚性基础，但不同的是加筋土挡墙后半部分位于墙后填土之上（见图1）。

加筋土挡墙的监测结果表明，施工期挡墙任一高度处的水平位移与其上的填筑高度成正比，主要是施工碾压和上部荷载引起的；如从下往上逐步累积，水平位移最大值在墙顶，为76 mm，约为加筋土挡墙墙高（11m）的0.69%；施工结束后逐步收敛，趋于稳定。

与土力学常识一致（见图3），加筋土挡墙内的竖向土压力随填筑高度增大而增大，但是显示两个特点：1）在同一高度，靠近墙面处的土压力略小于挡墙内部的土压力；2）当填土高度较小时，测得的土压力略小于γh（γ为填土重度，取20 kN/m3；h为土压力计之上的填土厚度），而当填土高度较大时，测得的土压力略大于γh。分析认为，前者主要受临空面的影响，这与计算土中自重应力时假定的半无限空间不同；后者应该是受施工碾压后土中残余应力有关，当填土不厚时，碾压引起的预应力会很快消失，只有填土较厚时，碾压引起的预应力才能够部分地保留在土中。

监测结果显示，墙后（加筋土体后）水平土压力与朗肯主动土压力很接近，但在加筋土挡墙最下部一定范围内，由于受边界的影响小于主动土压力。

各层土工格栅应变的监测结果具有相似的规律性，图4是第6层筋材（墙高2.5 m处）的应变监测结果。从中可以看出，随着填土高度的增加，筋材应变随之增大，最大值为1.22%，发生在填筑完成时最靠近墙面处。由于采用返包柔性墙面，无论填土高度是多少，靠近墙面处应变最大，越往墙内应变递减，筋材尾部（6.5 m以后）的应变基本不随填高变化。这一结果也证明试验段的加筋土挡墙的加筋长度有些保守，对于高度H=11 m的加筋土挡墙，仅从挡墙抗拔稳定性角度考虑，没有必要设计采用9m（0.82H）长的加筋材料。

图4　第6层（2.5m处）筋材应变监测结果Fig.4 Monitored resultsofstrain of geosynthetics (Layer No.6)

2　数值分析

2.1数值模型的建立

以圬工与加筋土组合挡土结构试验段（剖面图见图1）为对象，在现场监测结果基础上，采用PLAXIS软件建立其2D数值模型。该软件是成熟的在岩土工程领域应用的有限元分析平台，国内外很多学者[7-9]采用它模拟研究土工合成材料加筋土结构。

研究对象由岩体（即中风化及以下岩体）、回填土、片石混凝土和土工格栅4种材料构成。其中岩体、片石混凝土采用摩尔-库伦模型；由于土工格栅通常情况下只承受拉力，土工格栅采用程序内置的土工格栅单元；回填土采用Hardening-Soil模型进行模拟。筋土之间设置界面单元，通过界面强度折减因子Rinter来考虑筋土之间的摩擦作用，一般应小于1.0，这里取Rinter=0.9。作为弹性体，土工格栅的轴向刚度取1.2×104kN/m，极限轴力为90 kN/m。其他介质材料的模型参数列于表1。

表1　各介质的模型参数表Table 1 M odeling param etersof differentmedia

在圬工与加筋土组合式挡墙2D有限元模型中共有3个边界需要定义。在模型下边界施加水平和竖直两个方向的0位移约束，在模型左、右边界均施加水平方向0位移约束。为了避免边界效应，设定模拟对象两侧的计算域不小于3倍墙高，下部计算范围不小于1倍墙高。在计算域内采用15节点平面应变三角形单元进行网格划分，并对土工格栅周边的网格进行加密，土工格栅与填土之间设置界面单元连接。

模拟步骤按施工顺序进行，除岩土地应力平衡外，依次模拟岩体开挖、修筑片石圬工挡土墙、墙后填土压实及分层修筑加筋土挡墙。

图5和图6分别为加筋土挡墙水平位移和筋材应变模拟结果与实测值的对比曲线。从图中可知，加筋土挡墙水平位移模拟结果与实测值非常吻合，第6层筋材应变的模拟结果也与实测值趋势一致。

图7为圬工与加筋土组合挡土结构的剪应力云图，从中可以看出在上部加筋土挡墙（荷载）作用下，圬工挡墙墙趾处出现剪应力集中，挡墙上部后沿也由于片石混凝土与墙后填土巨大的刚度差异而受到较大的剪应力。这一结果说明了上部加筋土挡墙对下部圬工挡墙的影响，也证明了把圬工挡墙嵌入基岩的必要性。

图5　加筋土挡墙水平位移模拟结果与实测值对比曲线Fig.5 Comparison of field datawith numerical resultsof lateral deformation of geosynthetic-reinforced retainingwall

图6　加筋土挡墙筋材应变模拟结果与实测值对比曲线Fig.6 Com parison of field data w ith num erical resultsof strain of geosynthetics in geosynthetic-reinforced retaining wall

图7　组合挡土结构的剪应力云图（局部放大）Fig.7 Shear stress distribution of com posite retaining structure(partially enlarged)

2.2层间距对加筋土挡墙的影响分析

利用上述组合式挡土结构数值模型对加筋土挡墙的影响因素进行参数分析，分析的参数包括加筋长度、筋材刚度和层间距。结果发现，虽然加筋土挡墙的变形均随加筋长度、筋材刚度的增大而减小，但只要加筋长度超过0.5H（H为加筋土挡墙墙高），其影响逐渐递减，筋材刚度也并非敏感因子。限于篇幅，这里只给出层间距的影响分析。

分别设置层间距为0.25 m、0.5 m和1.0 m，建立不同的圬工与加筋土组合挡土结构数值模型。在数值模拟中，在墙顶施加20 kPa均布荷载，以模拟运营期交通荷载下挡墙的行为特性。模拟结果见图8和图9。从图中可知，加筋土挡墙的沉降和水平位移均随层间距的增大而增大，特别是当层间距从0.5m增加到1.0m时，沉降和位移明显增大，挡墙有破坏的危险。这一结果证明了层间距是加筋土挡墙工作性能的重要影响因素，应限制在一定的范围内，这与相关规范提出的层间距不宜超过0.6m的建议是一致的[3]。

图8　层间距对加筋土挡墙沉降的影响Fig.8 Influenceof verticalspacing of geosynthetic reinforcem entson settlement

图9　层间距对加筋土挡墙水平位移的影响Fig.9 Influence of ver tical spacing of geosynthetic reinforcementson lateraldeformation of geosynthetic-reinforced retaining w all

3　结语

本文论述了在十方高速公路建设中开展的圬工与加筋土组合挡土结构的现场试验及在此基础上进行的数值模拟分析的结果，从中可以得到如下结论：

1）试验段的结果表明，圬工重力式挡墙与土工格栅加筋土挡墙的上下组合结构可以灵活地适应山区复杂地形等工程地质条件，解决山区陡坡上路基的填筑问题。

2）在这一组合结构中，下部圬工挡墙相当于上部加筋土挡墙的刚性基础，而加筋土挡墙则是重力式圬工挡墙的墙顶附加荷载。下部圬工挡墙的稳固至关重要，采用现场开挖和浇筑，把基础嵌入基岩是必要的。

3）筋材应变的监测结果证明，0.6H（H为墙高）的加筋长度能够满足抗拔稳定性要求，过长的加筋材料没有必要；加筋土挡墙的参数分析表明，层间距才是加筋土挡墙变形的重要影响因素，限制在一定的范围内是合理的。

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Field experiment and numerical analysis of com posite retaining structure ofmasonry wall and reinforced soilwall

ZHANGMing1,RENYa1,JIA Bin2*
（1.Communication Planningand Design InstituteofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430051,China; 2.EastChina Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai200063,China）

Highway embankment constructed on a steep slope inmountainous area will facemany challenges.One technique comprising of amasonry gravity wall and a geogrid reinforced soil wall was introduced to solve the problems.The following results can be drawn from the field experiment and numericalmodelling based on sitemonitoring.In the composite retaining structure,the lowermasonry gravitywallactsas the solid foundation of reinforced soilwalland the upper reinforce soilwall isa surcharge for the masonry wall,so the lower masonry wall is necessary to cast into the bedrock.This composite retaining structure is flexible and controllable,and can easily adapttothe complicated engineering geologic conditions in mountainous area.Among the parameters of reinforced soilwall,the vertical spacing of reinforcements has a remarkable effect on the wall deformation,and should be controlled in a limited range,however from the view of pullout resistance,it is enough for the reinforcement length reaching 0.6 thewallheight.

reinforced soil wall;masonry gravity wall;composite retaining structure;field experiment;numerical analysis; vertical spacing

U655.54

A

2095-7874（2016）06-0019-06

10.7640/zggw js201606005

2016-02-25

湖北省交通科学研究计划项目（2011-700-3-42）

张明（1972—），男，湖北武汉市人，高级工程师，主要从事路基路面工程的设计与研究工作。

贾斌，E-mail：jiabintj@163.com