探析多级加筋土高挡墙变形与稳定性

蔡伟红

（天津市市政工程设计研究院，天津300000）

1 引言

当前一些工程中，多级加筋土挡墙的实际应用方案与分析性理论还具有一定的滞后性，因此，怎样高效完善其优化方案是相关工作人员应重点关注的问题，亟待相关人员的深入研究。

2 多级加筋土高挡墙的特性

加筋土挡墙是具有一定柔性的结构，其主要特点如下：施工技术简单、成本较低、占地面积小、外形美观等，通常应用在我国公路工程、机场工程等领域，越来越多的研究人员重视加筋土挡墙的筋土互相作用机理以及破坏性模式。

3 多级加筋土高挡墙的变形与稳定性分析

3.1 工程概况

现研究某三级地区土工格栅加筋挡墙，该工程位于山区，地表凹凸明显，整体加筋土挡墙总高度为30m，第一级高度为7m；第二级高度为10m；第三级高度为13m，墙面之间的台阶宽度为2m，挡墙基础采用钻孔桩，桩端嵌入石灰岩，桩体直径为1000mm[1]。单桩竖向承载力特征值为2000kN，在桩上现浇“L”形混凝土面板，作为下墙（第一级）基础与面板，挡墙面板应使用C25混凝土预制挡墙模块，采用的土工格栅应是单向工格栅，在第一级、第二级使用的挡墙间隔栅间距应保持在约0.5m，第三级挡墙与底部工格栅之间的距离也应保持在约0.5m，其他间距应在0.6m，基础层到顶层墙面之间的设置的砾砂过滤层厚度应保持在约0.3m。挡墙所用材料应严格遵守相关规范，最好采用具有一定稳定性的碎石土，在确定挡墙外侧标志位置之前，必须充分考虑洪水位的标志位置。要详细地掌握挡土墙压力的变化情况以及土体的位移变化情况，在特定情况下应适当地采用分级填土方式。

3.2 构建数值模型和几何模型

对多级加筋土挡墙的数值模型进行构建的过程中，可以采用有限元软件。在影响有限元分析结果的诸多因素中，挡墙结构边界的影响相对较大，故此，为确保有限元分析结果的准确性，必须对地基的深度与水平方向的长度进行合理设定，结合本工程的实际情况，地基深度取10.0m，水平方向上的长度取40.0m。由于本工程中加筋土挡墙选取的断面具有良好的均匀性，所以，可简化为平面应变问题，并以加筋土挡墙从施工开始到结束的工况为依托完成相关计算。在有限元模拟中，可以采用板单元，对加筋土挡墙的墙面板与“L”形混凝土板进行模拟，并将土工格栅视作杆单元，地基与填筑材料可采用相应的模型进行模拟。需要注意的是，对加筋土挡墙的施工过程进行模拟时，应充分考虑土体的自重，通过单元控制逐级加载。

4 计算结果分析

4.1 挡墙水平位移

通过有限元软件对本工程中加筋土挡墙的水平位移情况进行模拟分析之后发现：在本工程中，加筋土挡墙的水平位移较大的部位出现在挡墙的中部，而挡墙上部、下部以及各台阶处的水平位移相对较小。依据有限元计算结果可知，第二级挡墙水平位移最大部位出现在墙顶。经过现场实测后发现，第一级与第二级挡墙在变形趋势上呈现出相同的状态，并且二者在墙面垂直位移方面也非常相近，但第三极挡墙的变形趋势却与第一级和第二级挡墙的变形趋势相反，即向内倾斜。有限元软件的计算结果显示第三极挡墙应当为向外侧倾斜。究其根本原因如下：由于紧贴挡墙面板的填土很难达到标准要求的压实度，并且台阶位置处的填土在施工完毕后，会产生一定程度的压缩变形，引起第二级挡墙的墙趾位置处产生水平位移，从而使挡墙呈现出向内倾斜的变形情况。除此之外，在对加筋土挡墙的变形问题采用数值方法进行分析时，没有充分考虑施工因素对挡墙造成的影响[2]。

4.2 挡墙土压力

在对加筋土高挡墙变形问题进行分析时，挡墙的土压力计算非常重要，通过对挡墙土压力的计算可知：墙背水平土压力通常会随挡墙高度的变化而变化，即挡墙增高，墙背水平土压力减小。由加筋土挡墙现场的实测结果可知，上部墙体与土压力的计算结果非常接近，而中部和下部墙体的实测结果全都小于计算所得的土压力。在每一级加筋土挡墙的墙趾处，均出现应力突变的情况，与单级挡墙的土压力分布规律截然相反，造成该情况的主要原因是后一级的挡墙基础伸入到前一级的挡墙中，加之台阶本身所具备的卸载作用，使得应力集中，致使墙背土压力明显大于各级挡墙中部的土压力。

结合挡墙在实际工程中的应用情况可知：（1）垂直土压力在墙顶端处较小，在三级加筋土挡墙的基底处较大，有限元软件计算所得结果与实测增值结果不符，并且在铺设土工格栅时，可能会因为张力不足致墙背土压力偏小；（2）在本工程中，加筋土挡墙墙顶位置处的垂直土压力较小，基底位置处的垂直土压力较大，而有限元分析结果与现场的实测结果存在一定的不同，即有限元计算所得的垂直土压力大于现场实测值[3]，引起这一问题的主要原因分析为：本工程在施工时采用的是机械化作业的方法，受施工机械的影响，加之填土本身的压实度未能达到预期中的目标值，导致垂直土压力与有限元计算结果不同；此外，在施工中对土工格栅进行现场铺设时，因张拉不到位，给墙面板的位移提供了条件，施工完毕后，土压力随之释放，造成墙背位置处的土压力偏小。

4.3 挡墙的稳定性

多级加筋挡墙破裂面的位置会根据填土情况而变化，并且潜在破裂面会根据挡墙的高度发生变化，这是一种常见的挡墙破坏方式，与现场实际勘测结果相同。通过深入研究与探索可知，由于填土黏聚力与内部摩擦力的增大，稳定性也会随之增强，多级加筋挡墙潜在滑裂面的位置必然向未加筋区域转移。土工格栅的刚度与挡墙稳定性之间存在极为密切的关联，即土工格栅刚度小，则挡墙稳定性差。因此，通过对土工格栅刚度的提升，能够使挡墙的稳定性大幅度提高。但必须指出的一点是，拉筋的刚度增大后，滑裂面的位置会逐渐下移，所以，为使多级加筋土高挡墙结构趋于稳定，应根据轴向抗拉刚度选取适宜的土工格栅。同时，通过对挡墙加筋进行加密处理，挡墙的结构稳定性也会显著提高。此外，填料的变形模量对挡墙的稳定性具有一定的影响，当填料变形模量的数值增大后，挡墙稳定系数的变化幅度会随之减小，使挡墙的结构稳定性会进一步提高。

5 结论与分析

挡墙的水平位移随工程进度的增加不断增加，但是在工程结束后，各级挡墙顶的水平位移也会随之加大，即如果工程实际周期比预测周期长，墙顶水平位移的稳定系数也会比预测稳定系数高。

6 结语

总之，结合多级加筋土高挡墙的变形与稳定性进行分析，调整工程进度非常必要，工程技术人员不仅要做好数据分析和处理，提高挡墙的稳定性，控制挡墙变形，还应在各项工程中总结经验，保证挡墙的施工质量。