嵌锁式面板加筋挡土墙结构研究

张立乾 陈红 闫晶

(北京特种工程设计研究院 100028)

引言

加筋挡土墙由面板、加筋体、土体三部分构成。加筋挡土墙的面板是加筋挡土墙结构的重要组成部分,其主要功能有三个: 一是和加筋材料通过可靠连接形成自稳定结构体,共同承受土体压力载荷; 二是封挡其后土体、保护墙后加筋材料; 三是面板结构整洁、美观,提供建筑美学效果。嵌锁式加筋挡土墙面板结构是在相邻的面板之间设置齿榫和齿槽,形成“咬合嵌锁”的受力机制,从而增强面板结构的整体稳定性,加筋材料反包内置面板形成可靠连接,同时将加筋材料封闭在墙体内部,避免了加筋材料直接暴露在外,有效延缓了加筋材料的老化。

为了研究这种嵌锁式板面板加筋挡土墙结构承载能力的科学合理性,基于数值计算,将嵌锁式加筋挡土墙和其他四种挡土墙进行承载能力的仿真对比试验,以期对这种挡墙结构的技术优势进行必要的阐析。

1 嵌锁式面板加筋挡土墙数值模型的对比

四种对比的挡土墙类型分别为纯土台、不加筋非嵌锁式、不加筋嵌锁式、加筋非嵌锁式。嵌锁式面板加筋挡土墙示意如图1 所示。

图1 嵌锁式面板加筋挡土墙结构示意Fig.1 Schematic diagram of reinforced concrete retaining wall with interlocking panels

1.1 计算模型及参数

1.计算模型

五种挡土墙计算模型如图2 所示。

前三种挡土墙模式对应不设置加筋的工况,重点关注面板的嵌锁机制对挡墙承载性能的影响; 后两种挡土墙模式对应加筋的工况,重点关注面板的嵌锁机制对加筋挡土墙承载性能的影响。

2.有限元建模

采用ABAQUS 有限元软件进行结构分析。

模型尺寸: 面板宽度0.45m,高度0.2m;面板基座0.65m,高度0.2m; 土体宽度4.55m,高度1.6m; 土基全宽7m,面板前宽度1.8m,高度1.6m; 加筋材料嵌入面板0.45m,嵌入土体3.55m。

材料本构关系: 土体和土基的本构关系均采用摩尔库仑模型; 面板和基座考虑到采用素混凝土材料,其强度、刚度均高出土体很多,所以采用弹性本构; 加筋材料采用弹性本构。

图2 五种挡土墙计算模型Fig.2 Five calculation models of retaining wall

相互作用: 面板和加筋体之间为接触关系,接触面切向摩擦系数为0.21,法向接触均为硬接触; 面板与其后填土、面板底座与周围土体之间为接触关系,接触面切向摩擦系数为0.15,法向接触均为硬接触; 土基和土层之间为绑定约束; 土层和加筋材料为绑定约束。

边界条件: 土基两侧采用水平约束,土基底部为竖向约束; 土层右侧为水平约束。

单元网格划分: 土基、土体、面板、基座采用4 节点平面应变单元CPE4R,面板和基座共划分单元366 个,土基划分单元476 个,土体划分单元2912 个; 加筋材料采用平面2 节点梁单元B21,划分单元176 个。

3.物理力学参数

荷载作用: 1)结构自重,容重取20kN/m3;2)土台顶部分级施加均布载荷,见表1。五种模型的物理力学参数如表1 所示。

表1 物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indicator

1.2 计算结果分析

纯土台模型计算到第5 步出现发散,对应的最大承载压力为71.06kPa,其塑性剪切带为自墙角斜向上形成明显的塑性剪切带,云图如图3a 所示。不加筋非嵌锁模型计算到第3 步出现发散,对应的最大承载压力为78.79kPa,其塑性剪切带云图如图3b 所示。相对于纯土台模型,不加筋非嵌锁模型的极限承载力提高10.8%,非嵌锁式挡土墙面板从下而上依次出现错位滑移,底部面板未出现较为明显的间隙,面板整体位移形态呈现水平向错位滑移。不加筋嵌锁模型模型计算到第4 步出现发散,对应的最大承载压力为83.5kPa,其塑性剪切带云图如图3c 所示。不加筋嵌锁模型相对于纯土台模型,塑性剪切带上移,极限承载力提高17.5%,相对于不加筋非嵌锁模型,极限承载力提高5.6%,嵌锁式挡土墙面板底部出现较为明显的间隙,由于齿槽之间的咬合发挥作用,不会出现整体滑移,面板整体变位形态呈现绕底层面板前端的转动。

图3 五种挡土墙结构在极限荷载作用下塑性应变云图Fig.3 Plastic strain nephogram of five retaining wall structure models under limit load

加筋非嵌锁挡土墙模型计算到第6 步出现发散,对应的最大承载压力为114.2kPa,其塑性剪切带云图如图3d 所示。相对于不加筋嵌锁式挡土墙,加筋非嵌锁挡土墙的极限承载力提高36.7%,其面板变形以相对滑动为主,转动成分很少。加筋嵌锁挡土墙模型计算到第6 步出现发散,对应的最大承载压力为162.5kPa,其塑性剪切带云图如图3e 所示。相对于加筋非嵌锁挡土墙模型,加筋嵌锁挡土墙的极限承载力提高43.3%,其面板变形以相对滑动和转动为主,加筋对面板有明显的拉结作用,从而使整体结构整体承载能力提高,能承担更重载荷。

将以上五种结构型式的承载性能进行对比,见表2,承载能力对比柱状图见图4。不难看出,加筋嵌锁式挡土墙极限承载力最大,相较于前四种挡土墙结构,分别提高128.7%、106.2%、94.6% 和43.3%。其墙顶水平向外的变位最大,变形发展最为充分。

图4 承载能力对比柱状图Fig.4 Comparison histogram of bearing capacity

表2 五种挡土墙承载能力对比Tab.2 Comparison of five types of retaining walls

综上,基于同等条件下五种挡墙结构类型承载能力对比分析可以得出: 加筋嵌锁式挡土墙具有最大的承载能力和最大的极限水平变位,是一种理想的挡墙型式。

2 工程方案经济性对比

某场区挡土墙工程长230m,墙体最高8.9m,最矮2.5m,平均墙高7.5m。选取有表征性的典型断面进行了嵌锁式面板加筋挡土墙和钢筋混凝土悬臂挡墙两种设计方案经济性对比。钢筋混凝土悬臂挡墙结构见图5,加筋挡土墙结构断面见图6。两种结构的经济对比分析见表3。基于对比不难发现,加筋挡土墙在施工便捷方面具有明显优势,面板采取预制方式,化整为零,不需要大型施工设备。因此在造价上更具有明显的优势,相对钢筋混凝土悬臂挡墙可以节省31%,经济效益非常明显。

图5 钢筋混凝土悬臂挡土墙断面(单位： cm)Fig.5 Section of reinforced concrete cantilever retaining wall (unit: cm)

图6 加筋挡土墙断面(单位： cm)Fig.6 Section of reinforced and interlocking retaining wall (unit: cm)

表3 挡土墙方案对比Tab.3 Comparison table of retaining wall programs

3 结语

嵌锁式加筋挡土墙通过上下相邻面板之间设置齿榫和齿槽,形成“咬合嵌锁”的受力机制,增强挡墙面板的整体稳定性、牢固性; 又基于加筋材料反包内置面板的连接技术,大幅提高加筋材料和面板之间的连接性能,同时将加筋材料封闭在墙体内部,有效延缓加筋材料老化。嵌锁式加筋挡土墙系列技术同步申请了国家专利(ZL 2017 2 1539931.4、ZL 2017 2 1540660.4、ZL 2017 2 1539929.7、ZL 2017 2 1541155.1、ZL 2017 2 1539890.9)。数值仿真计算证明了这种挡土墙结构在承载能力方面具有明显优势,同时相较于传统挡土墙,具有施工便捷、造价经济的特点。