返包式加筋土挡墙的数值模拟研究

任 鑫

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

在山区公路建设中，由于地形、地貌和地质环境复杂，高填方边坡工程日益增多，传统支挡结构如重力式、悬臂式挡土墙，虽然设计施工简单，却存在明显的缺陷：(1)对公路沿线造成不同程度的生态和环境破坏；(2)占用大量宝贵的土地资源；(3)工程量大、工期长；(4)工程造价高。而加筋土技术，通过在土体中成层埋设高模量的加筋材料，增强边坡稳定性，使填方边坡坡度增大，由此减小土方用量，节约工程占地，提高经济效益。近年来应用广泛的返包式加筋土结构[1]利用加筋材料返包形成结构物坡面，具有更好的地基适应性以及更轻的自重,且其返包面可通过植草技术进行坡面绿化,实现工程建设和生态环境相结合。

虽然加筋土结构已经被采用数十年，但目前对其力学特性和破坏机理的认识仍不足。相关研究学者通过理论分析、现场试验、室内试验和数值模拟等手段[2-5]，研究了加筋土结构的力学特性和加筋机理,得到许多有益的结论。上部有路肩填土作为超载的加筋土路堤是山区公路、铁路建设中一种独特但应用广泛的结构。然而，对上述结构施工期间和竣工后的性能和稳定性研究很少。

本文依托中国西南山区一典型的返包式加筋土挡墙，其上部为8m高的未加筋路肩，下部为14m高的土工格栅加筋路堤，采用FLAC3D有限差分软件对其建模分析，研究返包式加筋土挡墙的水平位移、剪应力分布规律及稳定性，该研究对指导西南山区强风化花岗岩挡墙施工建设和生态环境保护具有重大的现实意义和实用价值，为返包式加筋挡墙的设计和施工提供理论依据。

1 工程概况

该返包式加筋土挡墙位于四川省甘孜州猫子坪至磨西改建公路工程K2+180-K2+299.5段，结构总高度为22m。挡墙下级为高14m，坡率1∶1的加筋路堤，上级为高8m，坡率1∶1.5的素填土路肩，路堤与路肩之间设2m宽的平台。路堤及路肩填土均就近采用西南山区典型的强风化花岗岩碎石土，加筋材料采用GATTDG-150型聚合土工格栅，共设置27层，下部10层长度为14m，上部17层长度为18m，层间距均为0.5m，每层筋材在坡面端部处预留3m包裹、折回。

2 数值模型的建立

采用三维有限差分软件FLAC3D模拟加筋土挡墙的力学性能，由于路堤具有对称性，为了简化分析，选择对路堤结构的一半进行建模，模型纵向取路堤分段长度4m。岩土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，相关力学参数见表1，筋材采用FLAC3D中内置的Geogrid结构单元，在这种单元中，筋土间的摩擦特性通过弹簧-滑块系统来模拟[6]，筋材及筋土界面特性参数见表2。在模型底部(z=0平面)，x、y和z这3方向的位移均约束为0；约束x=0m(挡墙对称中心)和x=32m两个竖直面的x向位移为 0；约束y=0.0m和y=4m两个竖直面上y向位移为 0。

表1 土体力学参数

表2 筋材及筋土界面的力学参数

3 结果分析

3.1 位移分析

图1、图2分别为未加筋挡墙、加筋挡墙水平位移等值线图，由图1可知，未加筋挡墙最大水平位移出现在路堤中下部，其值为27mm，挡墙的侧向变形呈沿坡面向结构内部逐渐减小的趋势，出现明显的“鼓肚”[7]，但挡墙的整体变形并不是很大。由图2可知，加筋后挡墙的最大水平位移仍出现在路堤坡面中部，其值为17mm，相对于未加筋挡墙，最大水平位移减小了37 %，说明在挡墙中铺设土工格栅能够显著降低挡墙的侧向变形。

图1 未加筋挡墙水平位移等值线

图2 加筋挡墙水平位移等值线

3.2 应力分析

图3，图4分别为未加筋挡墙、加筋挡墙剪应力等值线图。由图3可知，未加筋挡墙的最大剪应力均出现在路堤底部靠近坡面位置，最大剪应力为 72kPa，整体来看，路堤坡面附近剪应力分布较均匀。由图4可知，加筋后最大剪应力出现位置同未加筋挡墙。最大剪应力值为65kPa，相对于未加筋挡墙仅下降了13 %，但从剪应力分布情况来看，加筋后剪应力分布明显比未加筋挡墙更均匀，挡墙范围内仅存在很少的的剪应力为负的区域，且未出现明显的剪应力集中现象，这也说明加筋可以改善挡墙内部剪应力的分布，筋土之间的传递分散作用能够减少剪应力集中，从而提高挡墙内部稳定性。

图3 未加筋挡墙剪应力等值线

图4 加筋挡墙剪应力等值线

3.3 稳定性分析

图5、图6分别为未加筋挡墙、加筋挡墙的最大剪切应变增量云图，对比分析图5、图6可以得到如下结论：(1)未加筋时，弧形的塑性区从路堤坡脚开始向上延伸直至路肩坡脚，如果不采取有效的支护措施，将容易出现滑移破坏；(2)加入筋材后，塑性区的位置发生明显的转移，整个塑性区往加筋结构内部和上部转移，也就是说，加筋后滑动土体体积增大，加筋结构更加安全。此外，采用强度折减法[8]分别对未加筋与加筋挡墙的安全系数进行求解，未加筋挡墙的安全系数为1.08，加筋挡墙的安全系数为1.74，可见加筋后路堤挡墙的稳定性有了很大提高。

图5 未加筋挡墙最大剪切应变增量云图

图6 加筋挡墙最大剪切应变增量云图

4 结论

本研究采用有限差分软件FLAC3D对一22m高的返包 式加筋土挡墙进行了数值模拟研究，探讨了加筋挡墙水平位移、剪应力的分布规律以及稳定性。得到以下结论：

(1)加筋前后挡墙的侧向变形均沿坡面向结构内部逐渐减小，出现明显的“鼓肚”。

(2)在挡墙中铺设土工格栅能够显著降低路基的侧向变形。

(3)筋带可以改善挡墙内部剪应力的分布，筋土之间的传递分散作可以减少剪应力集中，从而提高内部稳定性。

(3)采用强度折减法对未加筋挡墙和加筋挡墙的安全系数进行求解，发现加筋后挡墙稳定性明显提高。