土工格室与扶壁式挡土墙复合支挡结构的有限元分析

黄玉纯

(南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西 南昌 330002)

0 引言

土工格室作为一种三维土体加筋材料，相比二维格栅，具有极大的优越性。其最直观的优点就是对于承载力的明显提高[1-5]，土工格室在软基中产生的应力场对地基的变形机理产生一定的抑制作用，这类抑制作用通过旋转主应力方向来改变潜在的滑移机制，从而提高了承载力[6]。除此以外，通过改变土工格室自身参数及铺设方式，对路基的各项性能均有不同提升[7-10]，还适用于不同强度路基及不同填料[11-12]。

随着物流和交通行业的迅速发展，以及发展经济的需要，我国公路上大件货物的运输增多，且部分货车存在超载现象，严重缩短道路使用寿命。针对日益显著的“重载交通”现象，非常有必要研究挡土墙与加筋土复合支挡结构的承载特性。黎寰等[13]通过有限元分析，得出该结构具有良好的抗震性能。李浩等[14]以衡重式挡土墙为原型开展离心模型试验，研究了加筋土对挡土墙墙背所受土压力与土体压实度的相互作用规律。吴迪等[15]结合模型实验与有限元研究不同规模交通荷载作用下的挡墙变形、筋材应变。陈建峰等[16]结合模型实验与有限元分析证实加筋土与挡土墙复合结构承载性能优越，对于软土地基的大变形有良好的适应能力。可以看出，目前学者对于此结构的研究集中在以土工格栅或土工网加筋的挡土墙路基中，对于性能更好的土工格室则研究较少。此外，目前国内公路总里程及分布密度的逐年上升，使得城镇地区修建公路土地资源紧张。因此在前人的研究基础上，以扶壁式挡土墙为对象进行研究。扶壁式挡土墙由悬臂式挡土墙发展而来，广泛应用于高填方路基，可以大幅度减小放坡面积和填方工程量。本文以已有项目为模型，基于有限元软件ABAQUS建立扶壁式挡土墙与土工格室加筋土层的三维模型，开展不同加筋层数下的现场比例工况模拟，研究附加应力下该复合结构的最大沉降值、挡土墙位移、筋材应力随加筋层数改变的演化规律，并提出可供现场设计参考的加筋方案，为类似结构工程提供设计依据。

1 工程背景

本文建模对象以余贵信大道为原型，其线路多处为扶壁式挡土墙填土路基，其中象山大桥附近采用了9.0 m以上的超高挡土墙。为减小竣工后长期交通荷载所引起的工后沉降，提高挡土墙工作稳定性，在此处填土中植入土工格室。

2 模型建立相关参数

2.1 模型尺寸

以现场工程为建模对象，为降低计算过程中边界效应对结果的影响，提高计算效率，模型采取五扶壁结构并只选半幅路基进行计算，填筑路基总长为15 m，宽为10 m。挡土墙墙高为9.5 m，墙厚为0.5 m，扶壁厚度为0.3 m，扶壁间距为3 m，墙趾与墙踵板长分别为1 m和3 m，埋深1.5 m。

2.2 参数选取

在有限元模型中，可以将土工格室视为正交各向同性的线弹性材料[17]，土体本构模型选取广泛应用于岩土工程问题中的Mohr-Coulomb模型[18]。挡土墙、路基、地基土之间的接触设置为表面与表面接触，接触属性切向罚函数，挡土墙与填土之间摩擦系数取0.65[19]，路基与地基土之间取0.3。法向接触设置为硬接触。耿大新[20]、Saad[21]等人通过研究得出利用ABAQUS中的“内置区域”在土体中植入土工格室的方法分析有效，通过此种约束可以模拟土-筋界面的复杂接触。具体计算参数汇总如表1所示。

表1 参数汇总

2.3 边界条件及网格划分

边界条件:采用底部固定、两侧水平约束。

网格划分:对研究对象进行加密划分可以兼顾计算精度与效率，故本次模拟对土工格室、路基及挡土墙进行加密划分，土体及挡墙采用六面体C3D8单元网格，土工格室网格类型为四边形S4壳单元，以无筋工况为例，整个模型共105 289个节点，88 482个单元，如图1所示。

图1 模型网格划分

2.4 工况设置

本次计算工况设置以筋材铺设间距为变量进行分析，所有工况下第一层土工格室位于墙高0.5 m处，设置间距为0.6 m、1.2 m、1.8 m 3种铺设方式，研究各工况下路面最大沉降、各层土工格室应力规律、挡土墙水平位移，并提出此种复合型支挡结构下较为合理的加筋方式，为工程中相关结构提供设计依据。

3 结果分析

3.1 路面最大沉降分析

以1.8 m间距加筋工况为例，其竖向位移云图如图2所示。可以看出，沉降最大区域位于道路中间区域，并向四周呈衰减式扩散。将各个沉降最大区域所有节点通过“xy输出”导出，并取最大值，可得出各个工况下的路面最大沉降，如表2所示。观察发现，在本次模拟工况范围内，计算得出的路面最大位移减小了4.2%～6.6%，这说明土工格室的“网兜”效应起了作用，有效地将附加应力往横向分解，并通过各个格室之间相互平衡，最终起到控制路面沉降的作用。随着铺设间距越发密集，对于沉降的控制呈弱化规律，这说明少层加筋效益比高，多层加筋虽然对承载力有益，但效果有限，所以实际工程中应综合考虑其经济性进行筋材的铺设。

表2 各工况路面竖向最大位移

图2 竖向位移云图

3.2 挡土墙水平位移分析

图3为4种工况下挡土墙水平位移规律，s表示筋材铺设间距。总体来看，由附加应力引起的挡墙位移最大处位于挡墙底部，并与挡墙高度成反比。可以看出，土工格室的植入使挡土墙在外力作用下往填土另外一侧位移的趋势减弱，并随着间距的减小，这一趋势越来越明显。这是由于土工格室抵挡了一部分本该作用于挡土墙上的附加应力。具体数值如表3所示，在本次计算最密集加筋情况下，位移减小百分比可达16.7%，说明土工格室加筋对挡土墙的位移控制效果显著。

图3 各工况下挡土墙位移

表3 各工况挡墙最大位移

3.3 各层土工格室应力分布规律

如图4所示，(a)(b)(c)分别为3种不同间距铺设方式下的各层土工格室Mises应力云图。Mises应力考虑了第一、二、三主应力，一般用于判断延展性较好的材料，根据土工格室在土体中的受力情况，Mises应力可以综合考虑3个主方向上的受力情况。可以看出，在附加应力作用下土层中的土工格室所受应力沿深度方向逐渐减小，可知上层格室处于高度工作状态，并由于应力扩散原理，两侧格室所受应力要大于中间。此外，随着加筋层数的提高，单层格室所受应力显著减小，可见多个格室之间均摊了上部荷载传递下来的筋材应力。针对这点，对于实际工程土工格室的铺设可以考虑在上层进行加密铺设处理。

(a)1.8 m间距加筋

(b)1.2 m间距加筋

(c)0.6 m间距加筋

4 结论

本文通过ABAQUS有限元软件对土工格室与扶壁式挡墙复合支挡结构进行4种工况的模拟，计算结果如下。

1)土工格室可以减小挡土墙路基中的竖向沉降，但随着层数的提高，加筋的效益并没有显著提高。

2)附加荷载作用下挡土墙底部的位移最大，往顶部发展越来越小。通过土工格室的植入，对挡土墙位移的控制最高可达16.7%。

3)各层土工格室所受应力随土层加深越来越小，且随着筋材层数增多，各层之间相互分摊所受应力。

因此，采用上密下疏的加筋方式在土工格室和扶壁式挡土墙复合支挡结构中效益较高。