加筋土挡墙侧向变形的影响因素分析

马小斐，戚志慧，王智猛，蒋关鲁

（1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

加筋土挡墙侧向变形的影响因素分析

马小斐1，2，戚志慧1，2，王智猛3，蒋关鲁1，2

（1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

基于铁路路基支挡工程，以正交设计方法为基础，采用有限差分法分析了6个工程因素对加筋土挡墙侧向变形的影响。分析结果表明:填料摩擦角和格栅刚度对加筋土挡墙侧向变形影响显著，格栅长度、格栅竖向间距以及墙顶荷载有较明显影响；地基体积模量的影响不明显。根据计算分析结果提出加筋土挡墙设计的相关建议。

加筋土挡墙；侧向变形；FLAC3D；正交设计方法；敏感性排序

加筋土挡墙是由挡墙面板、墙后填料和拉筋材料组成的柔性轻型支挡结构。由于它具有良好的抗变形与抗震性能，并且具有占地面积少、施工简便、造型美观、经济性能好等优点，在国内外公路、铁路、水利等行业得到广泛的应用。作为一种柔性支挡结构，加筋土挡墙在外荷载作用下势必产生较大变形。随着我国高铁动车组运行速度的不断提升，对高速铁路路基的变形控制更为严格。周健等［1］通过离心模型试验与FLAC2D数值模拟分析了筋材长度、布筋间距和刚度对加筋土挡墙侧向变形的影响，结果表明竖向间距影响最大，工程应用中应合理控制3个因素的取值。吕鹏等［2］通过现场试验分析得出加筋土挡墙变形规律并运用Plaxis分析了拉筋刚度、长度、竖向间距以及墙顶荷载对挡墙侧向变形的影响，结果表明3个因素均应合理取值以实现良好的加筋土挡墙性能。陈建峰等［3］对软土地基加筋土挡墙进行研究，分析了挡墙墙面出现鼓肚现象的原因。管振祥［4］采用ADINA研究了几个主要因素对加筋土挡墙侧向变形的影响程度。结果表明：在工程设计时应重点控制格栅刚度、拉筋长度、墙面板形式等主要影响因素，并综合考虑其他各方面因素。

目前，针对加筋土挡墙侧向变形规律、基本影响因素和参数取值的研究主要是在单一因素变化条件下进行的［5］，然而对多因素共同变化下的加筋土挡墙侧向变形的研究还鲜有报道。有鉴于此，本文将基于一高速铁路包裹式加筋土挡墙工程，采用有限差分法，对多因素共同变化条件下的加筋土挡墙侧向变形进行分析，并根据分析计算结果对影响侧向变形的6大因素进行敏感性排序。

1　模型建立与分析方法

1.1工况原型

本文以一高速铁路路基的包裹式加筋土挡墙作为计算模型：挡墙高6 m，挡墙坡度为1∶0.1，面板采用顶部和底部宽度均为0.3 m的现浇钢筋混凝土，混凝土强度为C35、重度为25 kN/m3，钢筋采用HRB400；墙后填料为无黏性卵石，地基为刚性；采用高密度聚乙烯单向土工格栅，铺设长度6.6 m，铺设竖向间隔0.3 m，铺设层数为20层，土工格栅刚度为100 kN/m。

1.2模型建立

数值模拟中地基与包裹碎石采用弹性模型；填料采用Mohr-Coulomb模型；土工格栅采用FLAC3D中Geogrid结构单元。数值模拟采用分层填筑模型，填筑完成后施加路堤和车辆荷载［6］。建立的模型如图1所示。计算完成后，将通过编制Fish语言提取挡墙的侧向变形数据。

图1　返包式加筋土挡墙

1.3研究内容与方法

很多专家学者通过现场试验和理论推导研究得出［7-9］：影响加筋土挡墙水平变形主要因素有地基的体积模量、土工格栅的弹性模量、土工格栅加筋间距、土工格栅筋长、墙后填料摩擦角、上覆荷载。本文将针对这6大因素作具体分析，分析加筋土挡墙侧向变形对影响因素的敏感性。

研究方法采用正交设计法。正交设计方法就是利用一套现成的正交表来安排多因素试验，正交设计方法在兼具全面试验法和单一试验法优点的同时，具有试验次数少、数据分布均匀、结果可靠等优点［5］。正交设计采用L32（49）标准正交表拟定FLAC3D数值试验。每个影响因素设立4个水平取值（见表1），共计32组试验（见表2）。

表1　因素水平

表2　正交设计方案

2　结果与分析

2.1数值计算结果

图2所示为正交设计方案5模拟计算结果，挡墙面板沿高度方向的水平位移呈中间大两端小的三角形分布，最大位移量为7.03 cm，发生在挡墙中部附近。挡墙面板呈明显的鼓胀变形，与工程实际相吻合［1，7］。表明加筋土挡墙作为一种柔性支挡结构，能够通过变形来实现应力的释放，保持整个结构的稳定性和使用性能。表3所列为32组方案的最大水平位移。

图2　方案5加筋土挡墙侧向变形与位移

2.2因素敏感性分析

本文针对加筋土挡墙侧向位移对各影响因素的敏感性大小采用方差分析法对正交试验结果进行处理。方差分析是在方差相同的条件下检验多个正态总体的均值是否相等，由此判断各因素对指标的显著性影响。其基本思想是将数据的总变差平方和分解为因素的变差平方和与随机误差的平方和之和，并做F检验。在选定的显著性水平α下，当其试验结果P值＜α时，拒绝原假设，即认为该因素对指标影响显著，并基于P值大小判断各因素作用的显著性。将表3中最大水平位移作为结果列，采用统计分析软件SPSS通过方差分析获得显著性值Sig［10］。

各因素的影响敏感性排序可由Sig值大小确定。某种因素的Sig值越小，则该因素对挡墙侧向变形的影响越大；某种因素的Sig值越大，则该因素对挡墙侧向变形的影响越小。若Sig值≤0.005，则表示该因素对目标影响显著。最大水平位移方差分析结果见表4。

表3　墙面板最大水平位移cm

表4　最大水平位移方差分析结果

由表4可知，填料摩擦角与格栅刚度的Sig值分别为0.002，0.005均≤0.005，认为它们对挡墙侧向变形影响显著；格栅长度、墙顶荷载以及格栅竖向间距Sig值分别为0.292，0.330和0.419，则认为它们对挡墙侧向变形有较明显影响；地基体积模量的Sig值为0.833，则它的影响不明显。通过对各因素Sig值的分析可得出6个因素的敏感性排序为填料摩擦角＞格栅刚度＞格栅长度＞墙顶荷载＞格栅竖向间距＞地基体积模量。在上覆荷载作用下，加筋土挡墙侧向变形受填土摩擦角和格栅刚度影响显著，工程设计中可优先考虑提高填料质量与格栅的刚度来控制挡墙的侧向变形。格栅长度、格栅竖向间距对加筋土挡墙水平位移影响一般，应根据工程设计经验与相关规范进行选取，做到合理布筋，经济安全。地基体积模量的增加对加筋土挡墙水平位移的减小效果不明显，不宜考虑过多增加地基体积模量来控制变形。

3　结论

本文结合实际工程，运用FLAC3D软件结合正交设计方法分析了加筋土挡墙侧向变形对6大影响因素的敏感性大小，得出以下结论：

1）通过数值计算分析获得加筋土挡墙侧向变形对6大影响因素的敏感性排序：填料摩擦角＞格栅刚度＞格栅长度＞墙顶荷载＞格栅竖向间距＞地基体积模量；

2）在上覆荷载作用下，加筋土挡墙侧向变形受填料摩擦角和格栅刚度影响显著，设计中可优先考虑提高填料质量与格栅的刚度来控制侧向变形；

3）格栅长度、格栅竖向间距对加筋土挡墙水平位移影响较大，应根据工程设计经验与相关规范进行选取，做到合理布筋，经济安全；

4）在一定安全范围内，地基体积模量的增加对加筋土挡墙水平位移的减小效果不明显，不宜考虑过多增加地基体积模量来控制变形。

［1］周健，谢鑫波，姜炯，等.包裹式加筋土挡墙的变形特性及影响因素研究［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（1）：148-154.

［2］吕鹏，杨广庆，庞巍，等.包裹式加筋土挡墙水平位移研究［J］.岩土力学，2006，27（增）：973-976.

［3］陈建峰，顾建伟，石振明，等.软土地基加筋土挡墙现场试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（增1）：3370-3375.

［4］管振祥.土工格栅加筋土挡墙水平变形影响因素敏感性分析［J］.铁道建筑，2008（5）：74-77.

［5］倪恒，刘佑荣，龙治国.正交设计在滑坡敏感性分析中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（7）：989-992.

［6］陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［7］章为民，赖忠中，徐光明.加筋挡土墙离心模型试验研究［J］.土木工程学报，2000，33（3）：84-91.

［8］栾茂田，李敬峰，肖成志，等.土工格栅加筋挡土墙工作性能的非线性有限元数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2428-2433.

［9］ROWER R K.SKINNER G D.Numerical Analysis of Geosynthetic Reinforced Retaining Wall Constructed on a Layered Soil Foundation［J］.Geotextiles and Geomenbranes，2001，19（7）：387-412.

［10］张红兵，贾来喜，李潞.SPSS宝典［M］.北京：电子工业出版社，2007.

（责任审编赵其文）

Analysis on Influential Factors for Lateral Deformation of
Reinforced Earth Retaining Wall

MA Xiaofei1，2，QI Zhihui1，2，WANG Zhimeng3，JIANG Guanlu1，2
（1.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；3.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

Based on a railway embankment retaining engineering，the effects of six engineering factors on the lateral deformation of reinforced earth retaining wall were analyzed by using the finite element difference method.Analysis results show that the packing friction angle and the geogrid stiffness are the significant factors influencing the lateral deformation of the reinforced earth retaining wall.T he length of the grating，the vertical spacing of the grid and the load on the top of the wall have obvious influence.T he bulk modulus of foundation is not sensitive to the reinforced earth retaining wall.According to the calculation and analysis results，some suggestions on the design of reinforced earth retaining wall were proposed.

Reinforced earth retaining wall；Lateral deformation；FLAC3D；Orthogonal design；Sensitivity ranking

U213.1+52.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.25

1003-1995（2016）10-0093-04

2016-04-14；

2016-07-05

中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G003-C）

马小斐（1992—），女，硕士研究生。