生态砌块式加筋挡墙动态失稳研究①

沈秋池， 苏 燕

(1.福建船政交通职业学院，福建 福州 350007；2. 福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引 言

生态砌块式加筋挡墙是一种将现代加筋技术、砌块自卡锁技术及植被护坡技术集于一体的新型挡墙结构。该型式挡墙具有结构轻巧、预制化生产、施工速度快等特点，且具有一定的生态功能[1]。目前该型式挡墙广泛地应用于城市内河护岸，实践过程中发现在施工期或植物未完全生长期，较高流速水流容易通过生态孔对墙后土体进行淘刷，随着淘刷量的增大容易导致挡墙护岸失稳。通过室内试验探究粉质粘土回填料的挡墙抗冲能力与淘刷机理，对试验现象给出定性解释，并采用有限元法对挡墙稳定性进行分析，有利于促进对实际工程的了解，对工程实践具有重要的指导意义。

1 生态砌块式挡墙抗冲试验

1.1 试验装置

试验采用变坡水槽，可调节为平坡、缓坡、陡坡，以此来调节流速，试验设备装置包括：五台水泵、配水管路及地下回水廊道、薄壁堰、流速仪、钢尺、数码相机、摄像机、试验模型箱等，试验装置见图1。

图1 试验装置示意图

1.2 相似理论与物理力学参数

根据相似原理要求，试验水力学模型按重力相似准则设计，模型为正态模型[2]，几何比尺选定为λl=4，由此可导出其它比尺见表1。

表1 模型比尺关系

生态砌块式挡墙原型砌块材料采用水泥砂浆拌合碎石而成的混凝土，测得其容重为21.6kN/m3。试验模型砌块按重力相似准则设计，砌块容重比尺为1。由于试验砌块需求量大，且混凝土养护时间较长，故决定采用石膏作为胶凝剂配合其他材料，浇筑制成砌块。经过多个方案的对比试验采用石膏∶水∶重晶石粉按1∶1∶2比例制作砌块。

1.3 试验方案

水流流速是决定生态砌块式挡墙墙后土体是否被淘刷的重要因素，挡墙的抗冲流速是相对特定回填材料而言，指在一定过流历时下未见明显土颗粒被淘出且墙后土体未形成淘刷坑时的河道流速视为该回填土料的挡墙抗冲流速。以福州某河段已建挡墙为研究对象，回填材料采用粉质粘土，其主要参数：容重r=19kN/m3，粘聚力c=4.2kPa，内摩擦角φ=18°。改变河道流速进行试验对照，试验过程通过数字图像采集设备观察记录生态孔处水流流态、土颗粒起动情况及淘刷坑发展变化。试验方案见表2。

表2 试验方案

1.4 试验结果的定性分析与解释

研究发现：当流速为0.6m/s时，不会发生淘刷现象，当流速大于0.6m/s时，水面波动处的生态孔有土颗粒被淘出，历时2h后墙后填土均出现不同程度往墙背方向深入的贯穿性通道，且该通道仅出现在水面波动处，淘刷现象见图2。因此，经比尺换算后粉质粘土回填料的生态砌块式挡墙抗冲流速为1.2m/s。

图2 粉质粘土填料生态挡墙淘刷现象

淘刷发展过程如下：河道水流通过生态孔使墙后填土浸水，导致抗剪强度降低。当水流流速大于抗冲流速时，水面波动的频率较快，形成生态孔内强烈紊流(主要有环流、斜流、横流)，这些水流结构产生水流拖曳力破坏了粘土颗粒的受力平衡，导致粘土颗粒松动，松动的土颗粒随着向下的水流波动从生态孔淘出，随过流历时增长不断有粘土颗粒被淘出进而形成沿水面线的贯穿通道，且该通道不断往内部楔入。

2 数值模拟

2.1 建立模型

基于上述试验结果，采用有限元法对挡墙在淘刷坑不断增大情况下的稳定性进行分析。计算挡墙高3.0m，等间距分布4根长3m的土工格栅，间距为0.6m，有限元计算模型边界范围见图3。模型底部的水平与竖向位移约束，前后两个侧面边界限制其水平向位移，墙面、顶部以及墙面左侧地面设为自由面，计算除考虑重力荷载外还考虑0.9m的静水压力。

2.2 确定物理力学参数

有限元计算采用的材料参数如表3所示。回填土采用D-P模型。砌块、土工格栅与地基土采用线弹性模型。采用古德曼无厚度接触单元模拟填土与面板之间及填土和土工格栅之间的接触特性[3]。

图3 有限元计算模型示意图

2.3 淘刷过程的模拟方法

基于上述试验的现象与规律，以淘刷坑深度为变量，模拟淘刷坑沿水平向不断增大的过程，计算时将淘刷坑处单元按淘刷顺序逐级冻结[4]，每级淘刷坑深度为0.1m(淘刷坑高度为0.06m)，直至计算不收敛。

表3 模型材料计算参数

2.4 结果分析

2.4.1 塑性应变

不同淘刷坑深度下挡墙的塑性应变云图见图4，在未发生淘刷时挡墙墙角局部出现塑性应变，当淘刷坑出现时，挡墙的潜在滑裂面首先从墙脚转移到淘刷坑端部，随着淘刷坑深度的增加潜在滑裂面从淘刷坑端部逐渐向上向内发展，呈圆弧状。当淘刷坑深度增加至0.4m时，计算不收敛 ，可认为此时加筋土体内已形成贯通的滑裂面，挡墙失稳破坏。

图4 塑性应变云图

图5 墙面水平位移分布

2.4.2 墙面板水平位移

不同淘刷坑深度下墙面板水平位移分布见图5，面板的位移总体呈现中间大两头小的分布，这是筋挡由于挡墙的中部附近集中较大的主动土压力，使得该处墙面产生较大的水平位移[5～6]。当淘刷坑出现时，淘刷坑上部土体失去支撑处于临空状态，随着淘刷坑增大临空土体随之增大，临空土体作用在面板上的力也不断增大，致使淘刷坑上部墙面逐渐往外移动。图中可以看出当淘刷坑深度在0～0.2m时墙面位移增幅较小，当从0.2m发展至0.3m时，位移增幅较大，挡墙的变形急剧增加，此时加墙接近极限破坏状态。

2.4.3 土工格栅拉应变

不同淘刷坑深度下挡墙土工格栅拉应变分布曲线见图6，可以看出各层土工格栅拉应变沿长度方向均呈非线性分布，拉应变在墙面与格栅连接处局部范围呈现“凹”形，这是由于该处有应力集中，导致该处出现较大的拉应变，随后曲线转变为“凸”形，拉应变出现峰值，最大拉应变均出现在第2层土工格栅。

加筋土挡墙内部破坏是由于筋体断裂而成的，由各层土工格栅的最大拉应变位置所确定的潜在破裂面如图6所示，未淘刷工况下的格栅拉应变峰值连线与水平面夹角为50°，淘刷坑深度为0.1m、0.2m、0.3m时其夹角分别为52°、60°、57°，这与“0.3H法”假定的破裂面与水平面夹角54°基本吻合[7]。

各层土工格栅在淘刷坑深度变化下拉应变变化见图7，可以看出除第一条土工格栅以外各层格栅拉应变与应变峰值随着淘刷坑深度增大也不断增大，这是由于临空土体随淘刷坑的增大而增大，使其在土工格栅上的作用力也增大，同样地当淘刷坑深度从0.2m发展至0.3m时，应变峰值增幅较大，挡墙趋向失稳。

图6 潜在破裂面和土工格栅拉应变分布

图7 各层土工格栅拉应变变化

3 结 论

1)对于粉质粘土回填料的挡墙，其抗冲流速为1.2m/s。当河道流速大于抗冲流速，墙后土体将从水面波动处的生态孔被淘出，并逐渐形成沿水面线的贯穿通道，且该通道不断往墙背方向楔入。

2)墙后土体被淘刷的机理为：墙后填土浸水，抗剪强度降低，当水流流速大于抗冲流速时水面波动的频率较快，形成生态孔内强烈紊流(主要有环流、斜流、横流)，这些水流结构产生水流拖曳力破坏了粘土颗粒的受力平衡，导致粘土颗粒松动，松动的土颗粒随着向下的水流波动从生态孔淘出。

3)生态砌块式加筋挡墙失稳破坏机理：挡墙出现淘刷坑时，淘刷坑上部土体失去支撑而处于临空状态，临空土体受重力作用使得淘刷坑端部产生塑性应变，临空土体同时作用在土工格栅与墙面板之上，导致土工格栅拉应变增大，墙面水平位移也增大。随着淘刷坑深度的增加，临空土体体积不断增大，塑性带从淘刷坑端部逐渐向上向内发展成潜在的滑裂面，呈圆弧状，土工格栅拉应变与墙面位移在这过程中也逐渐增大。当淘刷坑深度进一步增加时，加筋土体内的潜在滑裂面发展贯通至填土顶面，墙面板位移与土工格栅拉应变峰值都有较大的突增，此时挡墙失稳破坏。