加筋高挡墙的结构形式对水平位移的影响分析

摘 要：为研究结构形式对加筋高挡墙的水平位移的影响，对不同台阶高度、错台宽度、坡脚及护脚的加筋高挡墙进行数值模拟分析。结果表明，加筋能够大大减小挡土墙的水平位移；单级墙高的减小对墙面水平位移的减小作用不大；多级挡土墙应设置宽度3m左右的错台，防止墙体从上到下水平位移持续增大；挡土墙坡度对挡墙水平位移影响较大，一般宜采用70?～80?；挡土墙应在墙趾处设置护脚，避免挡墙从底部滑出破坏。

关键词：ADINA；加筋挡土墙；水平位移

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.087

0 引言

现代加筋土挡墙的设计多以强度控制为主，对整体变形的控制仅用安全系数>1.0来保证。随着工程建设的发展，施工条件和地形地质条件更复杂，修建的挡土墙规模也越来越大，无疑增加了设计和施工的难度。而国内外由于加筋土挡墙水平位移过大导致挡墙失稳的事故并不鲜见。因此，对于加筋土挡墙设计，在强度控制的同时，必须同时兼顾变形控制，使变形既不影响结构正常使用，又不会导致结构整体失稳[1-2]。

目前，很多学者都对影响加筋土挡墙水平位移的因素做了分析和研究，取得了一些成果。文献[3][4]分析了加筋长度、加筋间距与加筋体刚度对加筋土挡墙性能的影响。何伟[5]还用灰关联法对各影响因素进行了敏感性分析，结果显示加筋的竖向间距与挡墙高度对加筋挡土墙水平位移影响最大，其他因素影响次之。

吕鹏等认为，挡墙顶外荷载的大小及位置对水平位移的影响也较大[6]。廖知勇[7]等，得出在荷载作用下挡墙墙面水平位移沿墙高呈反“S”形曲线分布，最大值位于中下部。王家全等[8]还对加筋土挡墙的工后长期水平位移做了现场试验研究。

对挡土墙结构形式方面的研究，相对较少。陈强等[9]认为要保证合理的台阶宽度，防止台阶处出现应力和位移集中现象。杨广庆[10]认为，过大的台阶宽度对双级加筋土挡墙基底垂直应力的减载效果不明显。

因此，本文以广西河池机场加筋土高挡墙为例，用ADINA建立模型，分析其水平位移分布和变化规律，探讨加筋土挡墙结构形式对挡墙水平位移的影响，据此对加筋土挡墙结构设计提出一些建议。

1 工程概况

河池机场位于桂西北的丘陵山区，机场所处地形非常复杂，属于喀斯特缓坡低山地貌，自然高差在100m～210m，自然坡度最大处达到60?。边坡填筑标段，广泛分布的煤矸石就地取材作为挡土墙填料。

挡土墙为四级高挡墙，总高60m，每级各15m，错台宽3m，坡度70°。采用鋼塑土工格栅加筋，竖向加筋间距为0.4m，从上至下各级挡墙中格栅的铺设长度依次为25m，30m，37m，45m。挡墙护脚采用毛石混凝土砌筑，以坡脚为轴线向外5m、向内3m挖至基岩，并以钢筋锚杆与基岩面连接。挡墙为筋材返包式，仅用聚丙烯长丝针刺无纺土工布反包植物土护面，再用钢筋网罩固定[11]。

2 数值计算模型及参数

利用ADINA软件建立加筋土挡墙的二维有限元分析模型，见图1。

基岩、强夯层、填土均采用Mohr-Coulomb材料，墙趾处护脚材料参数取与基岩相同，土工格栅采用线弹性rebar单元，计算时将格栅与土体自动耦合，控制接触节点的自由度。材料参数见下表1。

3 加筋土高挡墙的水平位移分析

3.1 水平位移分布

任意墙高下挡土墙墙面处水平位移最大，因此墙面水平位移最能代表水平位移沿墙高的分布。图2为同时刻加筋和不加筋挡土墙墙面处水平位移竖向分布。（T=118，不加筋挡土墙破坏，T=148，加筋土挡墙完工。）

同时刻（T=118）加筋土挡墙和不加筋挡土墙墙面最大水平位移Xmax分别为10.77cm和49.66cm，加筋后挡墙水平位移减小幅度达78.3%，说明加筋可以大大减小挡土墙的水平位移。不加筋挡土墙Xmax位于墙趾处，而加筋土挡墙Xmax上移至约1/3墙高处，说明墙体内的筋材约束了土体的水平位移。

不加筋挡土墙墙面位移在墙趾附近产生突变，而沿着墙高向上，加筋挡土墙墙面水平位移X值大小先增大再逐渐减小，整体来看，加筋挡土墙在中下部的水平位移较大，说明加筋还能使墙体内部水平位移分布协调化。

3.2 挡土墙结构对水平位移的影响分析

以实际工程设计的加筋挡土墙形式作为基础，控制变量，分析挡墙形式对挡土墙水平变形的影响。

（1）挡墙台阶高度H。分别取单级台阶高度H=10m，12m，15m，20m，计算该加筋高挡墙（总高60m）的墙面水平位移。从表2看出：单级台阶高度的减小，挡土墙的水平位移也减小，但减小效果不明显。图3可以看出，台阶高度变化，但墙面最大水平位移的位置基本不变，始终在最下级挡墙台阶附近，而且在错台处均有水平位移的突变（从上向下变小），说明错台具有卸荷作用，避免水平位移连续增大。

（2）台阶宽度D。图4为台阶宽度D分别为1m～5m时的墙面水平位移分布图。由图可见，在挡墙中下部水平位移均较大，且随着台阶宽度的增大，水平位移逐渐减小，但减小的幅度越来越小。

（3）坡角∠A。图5为挡土墙墙面水平位移与坡角的关系曲线。由图可知：坡角对墙面的水平位移的影响较大，坡角增大，水平位移明显增加。

（4）护脚设置。原设计中，在墙趾处设置有浆砌石护脚，对比无护脚时挡墙的水平位移发现：墙趾护脚对减小墙体的水平位移的作用显著，水平位移减小幅度高达23%。因此，在挡土墙墙趾处设置护脚，能够减小挡墙水平位移，阻止挡墙沿墙趾处滑出破坏。

4 结论

变形控制在加筋土挡墙的设计中必不可少，对比分析了加筋与不加筋挡土墙的水平位移分布，以及单级墙高、错台宽度、坡角及墙趾护脚设置等结构设计对加筋挡土墙的水平位移的影响，得出以下结论：endprint

（1）加筋能够大大减小挡土墙的水平位移，协调墙内的水平位移。挡墙中下部水平位移较大，应对中下部墙体加固，例如提高加筋材料刚度，增加加筋长度等。

（2）单级台阶的减小能够减小墙面的水平位移，但减小幅度不大，当挡土墙较高时，宜结合施工的难易程度采用合理的台阶高度分级设置，一般单级台高不宜超过15m。

（3）多级挡土墙错台宽度以3m左右为宜。既可防止墙体从上至下水平位移持续增大，破裂面贯通破坏，同时也可作为排水设施的平台。

（4）挡土墙坡角对挡墙的水平位移影响很大，一般取70?～80?为宜。

（5）在挡土墙局部关键部位墙趾处设置护脚，能够控制整体水平位移，避免挡墙在墙趾处滑出破坏。

参考文献：

[1]杨广庆，周敏娟，张保俭.加筋土挡土墙水平位移研究[J].岩土力学与工程学报，2005（07）：1248-1252.

[2]侯春娇.土工格栅加筋挡土墙数值分析与优化设计[D].杨凌.西北农林科技大学，2012.

[3]何燕清，陈福全.软土地基上加筋土挡墙的性能及其影响因素[J].山东交通学院学报，2015，12（04）：47-55.

[4]孔繁盛.加筋土挡墙合理布筋方式数值模拟分析[J].道路工程，2015（09）：36-38.

[5]何伟.加筋土挡墙变形计算研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.

[6]吕鹏，杨广庆，庞巍，蔡德钩.包裹式土工格栅加筋土挡墙水平位移研究[J].岩土力学，2006（10）：73-76.

[7]廖知勇，白皓，杨智翔，梁栋，邵国霞.加筋土挡墙变形和受力特性原位荷载试验研究[J].路基工程，2016，1（13）：67-70.

[8]王家全，力量，蒋祖高，张亮亮.生态加筋土高挡墙长期变形的现场试验分析[J].广西大学学报（自然科学版），2017（04）：1407-1480.

[9]陈强，杨长卫，张建经，周新文.“5.12”汶川地震中高达加筋土挡墙破坏机理研究[J].铁道建筑，2010（09）：73-77.

[10]楊广庆，刘华北，吴连海，熊保林，李三妮.台阶宽度对加筋土挡墙垂直应力的影响研究[J].岩土力学与工程学报，2016（01）：209-216.

[11]齐文，丁一，梅平.高填方机场加筋挡土墙施工技术与质量控制[J].路基工程，2016（06）：196-198.

基金项目：安康学院高层次人才专项（2013AYQDZR14）

作者简介：侯春娇（1986-），女，硕士，助教，主要从事岩土工程方面的教学和研究。endprint