多级加筋土高挡墙的工程特性及影响因素

靳 静，杨广庆，王志杰，王 贺

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄 050018)

加筋土挡墙的应用对有效利用宝贵的土地资源有着重要的经济意义，它不仅能满足工程上对挡墙直立和高度的要求，还可以节约占地、减少土石填方量，提高回填土整体稳定性。近年来，我国铁路路基相关技术规范加大了对加筋土挡墙的应用推广，例如TB 10621—2014《高速铁路设计规范》明确提出在城市、风景区周边及耕地保护区宜根据现场条件，采用悬臂式、扶壁式、L型及加筋土挡墙等轻型支挡结构；地震区宜采用加筋土挡墙等柔性支挡结构[1]。

高速铁路以其快速、安全、准时等优势成为现代交通的重要发展方向，高速铁路加筋土挡墙也成为高速铁路路基的重要组成部分。周健等[2]通过离心模型室内试验和数值模拟，得出了软土地基包裹式加筋土挡墙的变形特性及其影响因素。蒋建清等[3]通过加筋土挡墙地震稳定性的水平条分方法得出筋材拉力和所需筋材长度的计算公式，研究了填土内摩擦角、水平和竖向地震加速度系数对筋材拉力及所需筋材长度的影响。周亦涛等[4]在现场对由L 型挡土墙与加筋土挡墙形成的3级加筋土复合式挡墙进行了原位试验。周世良等[5]通过对每级高150 cm、宽75 cm的3级加筋土挡墙进行模型试验，对该结构的土压力和潜在破坏面进行了研究。林宇亮等[6]根据加筋筋材在挡墙中的受力特性并结合拉伸试验，研究了加筋土筋材在拉伸荷载作用下的力学特性及筋材约束变形方程。周应华等[7]研究了多级加筋土挡墙内部受力及变形规律。为了研究台阶式加筋土挡墙平台宽度对下墙墙体垂直应力大小及分布的影响，杨广庆等[8]进行多组不同平台宽度的台阶式加筋土挡墙室内模型试验。王龙飞等[9]通过有限元软件Plaxis分析了多级土工格室柔性挡墙在不同级数、不同级宽度和每级墙高变化等工况下的变形特性。Yang等[10]等利用现场原型试验研究了双级土工格栅加筋土挡墙施工期及竣工后1年半期间各级挡墙底部垂直土压力、面板背部侧向土压力和筋材应变分布规律。Yoo[11-12]结合5.6 m高双级加筋土挡墙现场足尺试验和数值模拟，分析了施工期及竣工后墙体应力、墙面变形和筋材应变。Liu等[13]对每级高3 m、宽1.2 m的3级加筋土挡墙的地震响应进行了数值分析。Song等[14]对软土地基上5 m高2级模块式墙面加筋土挡墙进行了有限元分析，得到地基的屈服会影响下级挡墙的内部和外部稳定。目前，国内外学者研究的加筋土挡墙一般为2级和3级，但对于级数多于3级的多级加筋土高挡墙却鲜见报道。

本文结合承德机场8级加筋土高挡墙工程展开现场原位监测。对该加筋土高挡墙后土体垂直土压力、墙背测向土压力以及土工格栅筋材应变分布规律进行系统分析和研究。并且运用PLAXIS2D软件对多级加筋土高挡墙施工过程进行数值模拟，研究筋材不同长度、筋材不同间距和填料不同内摩擦角对多级加筋土高挡墙水平变形的影响。

1 现场原位监测

1.1 填料

填料为级配不良的碎石土，颗粒分析曲线如图1所示，图中d为颗粒直径。填料的物理性质指标见表1。

图1 碎石土颗粒分析曲线

表1 填料的物理性质指标

1.2 土工格栅

土工格栅选用2种青岛旭域土工材料股份有限公司生产的单向拉伸HDPE土工格栅，其几何尺寸和力学特性见表2。

表2 土工格栅几何尺寸和力学特性

1.3 加筋挡墙结构型式、尺寸及仪器布置

加筋土挡墙采用塑料土工格栅加筋，墙面板采用浆砌块石，厚度为1 m，墙后堆砌内装级配碎石土工袋作为挡墙排水措施，格栅与墙面板的连接方式如图2所示。砌筑在基岩上的最下一级浆砌块石挡墙，作为整个加筋挡墙的基础，该加筋高挡墙共8级，下部7级为土工格栅加筋土挡土墙，第8级挡墙没有加筋，为衡重式挡墙，每级挡墙高度如图3所示。共铺设60层土工格栅，其中，前38层为TGDG90土工格栅，铺设长度26 m，层间距为0.5 m。第39层到60层后22层为TGDG130型土工格栅，铺设长度24 m，层间距为0.7 m。选用了A4600，A4640和A4680共3个断面进行现场监测。

图2 土工格栅与墙面板连接方式

图3 设备布置图(单位:m)

测试设备包括长沙金码高科技实业有限公司生产的包括水平和竖向土压力盒、柔性位移计等，测试元件参数见表3，测试设备布置详见图3，柔性位移计与土工格格栅的连接方式如图4所示。

表3 现场测试设备参数

图4 柔性位移计现场安装布设情况

2 监测结果和分析

通过对现场实测数据进行分析，各个断面的情况基本一致，因而下文中墙后土体垂直土压力和墙背侧向土压力及筋材应变只选取1个测试断面。

2.1 墙后垂直土压力

在施工期间，随着填土高度的增加，加筋挡墙后各层土体垂直土压力沿筋长方向分布规律曲线，如图5所示。

从图5可以看出：施工期间，每级加筋土挡墙墙后土体垂直土压力分沿筋材长度方向呈非线性分布，且靠近前面板处的垂直土压力较小，最大值出现在距离前面板较远处筋材中后部，同时最大值由0.5 MPa逐渐减少到0.2 MPa左右，降幅达到60%。这是因为，垂直土压力主要是由于填土高度、筋土之间摩擦力、墙面板水平变形和墙后水平土压力共同影响的结果。多级加筋挡墙坐落于下级柔性挡墙之上，随着下部墙体的逐渐压密和墙面板的水平变形，筋土摩擦作用得到发挥。并且，由于上级挡墙作用于下部柔性挡墙之上，上级挡墙的重心随挡墙级数的增加逐渐向中后部移动。

图5 不同填筑高度时墙内垂直土压力沿加筋方向分布

2.2 墙背侧向土压力

施工期间，每级加筋挡墙墙背侧向土压力随填土高度变化而变化，如图6所示。从图6可以看出，墙背侧向土压力分布有如下规律。

(1)随着挡墙填土高度的增加，各级挡墙墙背处的侧向土压力随之增大，土压力增长速率随填土高度增加而递减。其主要原因是填筑高度的增加，挡墙面板会逐渐发生水平位移而导致侧向土压力减小。同时由于墙面板与土工格栅连接而形成的网兜效应也使得墙背侧向土压力有所减小。

(2)墙背侧向土压力沿墙高呈非线性分布，不同于郎肯主动土压力的直线分布。因为郎肯主动土压力是土体达到极限平衡状态下的土压力，现场实测土压力是土体处于工作状态下的土压力。同时，现场监测的土压力呈曲线分布，符合加筋土柔性挡墙的工程特点。

(3)同一填土高度不同级挡墙，土压力逐渐增大，增长的速率由慢到快，从第1级到第5级相比第6级分别增长334%，180%，106%，70.6%和36.7%。这主要是由于随着填土高度增加筋材对墙体拉力增大的作用效果。

2.3 土工格栅应变

格栅的应变主要发生在施工期间，土工格栅应变沿筋方向分布如图7所示。

从图7中可以看出：

(1)筋材应变在施工期间随着填土高度的增加而增大，沿筋材长度方向呈非线性分布，且大部分出现双峰值，第1个峰值靠近墙面板，是加筋体内潜在破裂面所在的位置，第2个峰值则处于筋材的中后端，是加筋体整体受力而形成的。从总体看来应变的变化不大，均在1%范围内。

图7 土工格栅应变随填土高度变化曲线

(2)部分格栅应变出现负值，最低值达到-0.5%，其主要原因是由于筋材处于受弯变形状态。第9层和第53层出现先减小后增大，降幅均为0.9%左右，其主要是应变最大值出现在墙面板附近，随着格栅的铺设，上部格栅的应变最大值位置逐渐远离墙面板。

3 多级加筋土高挡墙数值模拟

3.1 本构模型和材料参数

多级加筋土高挡墙的整个施工过程运用PLAXIS2D软件进行分析，由于加筋土高挡墙沿纵向方向长度较大，纵向位移可忽略，可以用平面应变模型模拟。在计算过程中，本构关系采用15节点三角形单元，把地基和挡墙填土均看成弹塑性体，采用Mohr-Coulomb模型；墙面板采用5节点梁单元；土工格栅弹性模量取值1 825 MPa，本构模型采用线弹性；筋材采用Geotextilea单元模拟，根据填料特性和PLAXIS计算手册取筋材—土界面系数0.67。加筋挡墙的墙顶和面板设置为自由边界，挡墙背部施加水平约束，挡墙基底施加水平和竖向约束。加筋挡墙每级台阶的填筑为1个工序，网格划分如图8所示，材料特性参数见表4。

图8 挡墙网格图

表4 土体材料参数

3.2 挡墙基底垂直土压力分析

通过图9挡墙基底压力实测值与模拟值的对比分析，可以看出：两者的分布规律与走向基本一致，验证了本构模型参数选取的合理性。但是基底垂直土压力曲线的前半段实测值稍大于模拟值，主要是由于墙背土压力作用，其垂直方向分量分力造成基底压力增加；基底垂直土压力随着距离墙面距离的增加，模拟值略大于实测值，由于实际土工格栅长度较短，所以在筋材尾部减载作用略有减小。

图9 挡墙基底垂直土压力对比

3.3 挡墙潜在破裂面分析

分析理论破裂面时把多级加筋土挡墙等效成单级加筋土挡墙研究其潜在破裂面。加筋土挡墙内部实测破裂面为每层土工格栅最大应变值的连线而成，在对实测格栅应变值综合分析的基础上，确定出加筋土挡墙内部破裂面，并且与理论和模拟的结果进行对比，如图10所示。由图10可以看出：实测破裂面随着挡墙高度的增加变化趋势与数值模拟的破裂面基本一致，从而可以得出现场试验数据的可靠性较高，准确性较强；加筋土挡墙实测和理论破裂面差异较大，主要是因为理论破裂面假设为单级挡墙，以及填料的力学性质不均匀、筋材长度、加筋间距和每级挡墙宽度等因素影响形成的；数值分析得到的破裂面更靠近挡墙内侧，而理论和实测值较远。

图10 挡墙破裂面对比

4 多级加筋土高挡墙水平变形的影响因素分析

上节通过对实测值和模拟值的对比分析，验证了PLAXIS2D数值模型的合理性。为了保证加筋土挡墙的水平变形满足工程要求，进一步深入研究影响加筋土挡墙水平变形的影响因素。

加筋土挡墙作为柔性支挡结构，加筋作用是在筋材与土体间产生相对位移情况下得到实现的，当加筋土挡墙中加筋与土处于协调变形状态时，墙面板的水平变形反映了加筋土挡墙的水平变形。本节以每级加筋土挡墙的墙面板作为研究对象，加筋挡墙面板承受的土压力主要由筋材承担，所以把拉筋当作加筋挡墙面板的弹性支撑，面板可简化为弹性地基上的板考虑，对于平面问题，则为一弹性地基梁，如图11所示。图中：Sv为筋材的竖向间距；β为加筋土挡墙的破裂角；Em和Im分别加筋土挡墙面板的弹性模量和惯性矩；kf为分布弹簧的刚度系数；q为土压力强度。

图11 简化分析模型

假设加筋土挡墙的破裂面为锲形体，则破坏面内筋材的刚度系数k可表示为

(1)

式中：Er和Ar分别为拉筋的变形模量和截面积；h为加筋挡墙高度。

把筋材的支撑假设为分布弹簧，则式(1)可表示为

(2)

式中：Sh为筋材的水平间距。

根据文克勒地基上的弹性梁的计算公式，得到加筋土挡墙墙面板的挠曲微分方程为

(3)

式中：ω为扰度。

式(3)可以变化为

(4)

(5)

式中：φ为填料内摩擦角。

从式(5)可以看出，加筋土挡墙各级墙面板的变形与筋材的刚度、筋材长度、加筋间距及墙后填料性质有关。

下面主要从筋材长度、筋材间距和填料内摩擦角3个方面分别分析其对墙面水平变形的影响，在PLAXIS2D数值模型中，土工格栅弹性模量取E=1 825 MPa，填料密度ρ=1.91 g·cm-3，在固定筋材长度、筋材间距和填料的内摩擦角这3个影响参数中2个，改变第3个的基础上，观察其对挡墙墙体水平变形的影响效果，从而确定这3大参数中各自的重要程度。

4.1 筋材长度对挡墙变形的影响

为了研究筋材长度对挡墙墙面水平位移的影响，取1—4级挡墙筋材间距为0.5 m，5—6级挡墙筋材间距为0.7 m，黏聚力为5 kPa，内摩擦角为29°。在上述条件不变的情况下，只改变整体筋材的长度，通过不同筋材长度加筋土挡墙的水平变形分析筋材对挡墙稳定性的影响。分析过程中筋材长度分别为16，20，24，28和32 m，其水平变形曲线如图12所示。

从图12可以看出：筋材长度为16和20 m时挡墙的水平位移比较大，并且每级墙面中下部呈现“鼓肚子”现象；随着筋材长度的增加，水平位移显著减小，“鼓肚”状也得到了很好的抑制，这表明，挡墙墙面板的水平变形开始随着筋材长度的增加而减小，效果显著；当筋材长度超过一定的范围后加筋效果不明显。即在墙高一定的情况下，加筋长度的影响具有一定的范围，即超出该范围后加筋富裕，而富裕的加筋对改善墙面板的侧向变形作用不大，因此以大量增加加筋长度减少变形是不可行的。另外从图12还可知，当筋材长度超过28 m以后，挡墙的水平变形变化很小，合理加筋长度为24～28 m，该加筋长度范围内，墙面的水平变形最大为43.5 cm，该水平变形量为墙高的1.08%，小于美国AASHTO规定的1.67%限值。因此，建议加筋土挡墙的筋材长度为0.6～0.7倍加筋挡墙高度为宜。

图12 筋材长度对挡墙墙面水平位移的影响

4.2 筋材间距对挡墙变形的影响

筋材的主要作用是对土体的侧向变形产生约束作用，从而提高土体的极限强度，同时控制塑性区的产生和发展。当筋材间距较大时，筋材对土体的约束作用弱，而未受到加筋的土体将会产生较大的侧向位移，由于筋材对侧向约束力较小，导致整个加筋土强度降低。随着筋材间距的减少，土体的侧向约束力加大，复合体强度相应增强，土体的加筋作用效果越明显。为了研究筋材间距对挡墙墙面水平位移的影响，取1—4级挡墙筋材长度为26 m，5—6级挡墙筋材长度为24 m，黏聚力为5 kPa，内摩擦角为29°。在上述条件不变的情况下，通过改变整体筋材间距为0.4，0.8，1.2和1.6 m，分析筋材间距对墙面水平变形的影响，结果如图13所示。

从图13可以看出：筋材间距对挡墙的水平位移影响效果很明显，筋材间距的改变，不仅改变水平位移的曲线形态，还改变水平位移的大小，当筋材间距由0.8 m增加到1.6 m时，水平位移的最大值由39.67 cm增加到72.21 cm，即筋材间距增大1倍，水平位移增大82%，但是，筋材对土体有一定的影响范围，过小的间距会造成影响重叠，形成“超筋土”，导致经济上不合理，施工难度增大，形成的复合土体没有明显的加筋效果。对于本加筋挡墙而言，筋材间距到0.8 m以后，挡墙变形明显增大，因此，筋材间距控制在0.4～0.8 m较合适。

图13 筋材间距对挡墙墙面水平位移的影响

4.3 摩擦角对挡墙变形的影响

为了研究内摩擦角对挡墙墙面水平位移的影响，取1—4级挡墙筋材间距为0.5 m、筋材长度为26 m，5—6级挡墙筋材间距为0.7 m、筋材长度为24 m。在上述条件不变的情况下，选取内摩擦角分别为20°、30°和40°的填料时，挡墙墙面水平位移如图14所示。从图14可以看出：内摩擦角的变化对墙面板的水平变化趋势影响不大，只影响水平位移量，随着内摩擦角的逐渐增大，墙面板水平位移逐渐减小。这是因为增大内摩擦角值可以减小墙面板后的水平土压力，从而减小面板的水平位移。

图14 摩擦角对挡墙墙面水平位移的影响

5 结 论

(1)多级加筋土高挡墙的墙内垂直土压力在填筑期间沿筋长方向呈非线性分布，同一层土工格栅的垂直土压力分布规律基本相同，且最大值均靠近筋材尾部。在竖直方向上，距离墙面板相同距离处垂直土压力的大小会随着填土高度的增加而增大。

(2)墙背侧向土压力沿墙高呈非线性分布，且随着填筑高度的增加而增大，随着填筑的进行逐渐趋于稳定，符合加筋土柔性挡墙的工程特点。

(3)土工格栅加筋土高挡墙测试断面各层筋材拉力随上覆填土高度的增加而增大，各层筋材应变沿筋长方向呈非线性分布，且大部分测试呈双峰值分布，第1个峰值靠近墙面板，第2个峰值远离墙面板。

(4)土工格栅加筋土高挡墙测试断面墙体潜在破裂面呈曲线分布。实测墙体潜在破裂面形状与理论计算的破裂面相似，与模拟得到的破裂面位置存在差异但破裂面沿墙高的分析趋势基本相同。

(5)为实现加筋土高挡墙的良好工程特性，应选用合理的土工格栅和填料性能参数，当参数低于一定数值后，挡墙易产生较大的水平变形。筋材长度、筋材间距和填料的内摩擦角这3大参数对挡墙变形影响明显，其中前2个参数影响较显著，在实际工程设计中一定要进行优化并将其控制在合理范围内。