生态加筋土挡墙数值模拟分析

王婷 李旭康 严日恒 许劲晗 李欣宜 曹旭铮

天津仁爱学院，中国·天津 301636

1 引言

伴随着气候变化、地震灾害、重大疫情等危机的频频发生，韧性理念成为中国智慧城市发展规划当中的重要内容。韧性指系统能够凭借自身的能力去抵御灾害、适应灾害，从而减少冲击对系统带来的损失，并通过合理的调配资源达到新的平衡，达到自我修复，可以体现系统的可持续发展能力[1]。为践行绿水青山就是金山银山的绿色发展理念，生态、环保和节能的需求也成为我们必须考虑的条件。夏乐[2]提出了生态挡土墙的技术思想，增加了生态蓝系统，使挡土墙结构向绿化、降噪、除尘等方向发展。汤洪霞[3]提出一种新型绿化挡土墙，采用玄武岩纤维筋以及土工布进行施工，依靠自身重力等使抗滑面上的抗剪强度增加，进而增加坡体的稳定安全系数，达到加固效果。李丽华[4]将废旧轮胎与三向格栅组合形成共同加筋体，并对加筋土挡墙开展了超载模型试验，得出此种加筋方式对抗震效果影响显著的结论。胡永建[5]以防洪减灾护岸工程为研究对象，探讨了加筋土挡墙施工工艺，并进行了实际应用，效果良好。目前，国际上学者将韧性和生态理念结合起来对加筋土挡墙的研究较少，相较于传统加筋土挡墙，论文依托某某机场60m高的砾质土边坡，研究的阶梯状生态加筋土挡墙，能较好地体现韧性和生态的理念，基于有限元软件MIDAS，应用强度折减法计算安全系数并分析其稳定性。

2 强度折减法

挡墙的稳定性评价由安全系数F来确定，在极限平衡理论计算法中，安全系数定义为潜在滑移面的抗滑力（力矩）与下滑力（力矩）之比，即：

两边同时除以Fs，得到：

则：

式中：c'和ϕ'为折减后的抗剪强度指标；Fs为强度折减系数，临界破坏状态的折减系数Fs为挡墙的安全系数F。

在极限平衡分析中，强度折减法是按式（3）不断地降低岩土体的抗剪强度指标，直至挡墙达到临界破坏状态，此时的折减系数即挡墙的安全系数。

3 加筋土挡墙工程实例分析

3.1 有限元计算模型

依托某机场的加筋土挡墙，建立有限元计算模型。挡墙高度为60m，坡度较陡，分四级进行填筑，每级挡墙高度为15m，坡度为70°，台阶的宽度为3m。计算模型尺寸的选取参考郑颖人[6]提出的较为精确的计算范围，挡墙墙脚处到右端边界的距离为墙高的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高度不小于挡墙高度的2倍。挡墙中筋材布置长度从一级挡墙至四级挡墙依次为45m、37m、30m和25m，筋材分别取废旧轮胎条带和复合筋材（废旧轮胎和玄武岩纤维筋）进行对比计算。由此得出有限元计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

通过对该挡墙填筑料进行土工试验，及参考有关文献，计算模型材料参数取值见表1。

表1 计算模型材料参数

3.2 变形分析

提取未加筋挡墙、轮胎条带挡墙和复合加筋挡墙中每级挡墙坡顶和坡脚处共8个点的位移，见表2。规定测点的水平位移向右为正，竖向位移向上为正。坡顶处水平位移较小，越靠近坡脚，水平位移越大，但到I点时，位移很小，是因为坡脚处设置了护脚。未加筋时，水平位移向右且位移值达30.95m，竖向位移向上且位移值达到8.49m，挡墙已出现了失稳破坏，符合坡体滑移破坏的变形特征。由图2复合加筋挡墙的水平位移云图得知，发生最大水平位移的点位于第一级挡墙靠近坡脚处，位移值为0.288m，方向向右指向临空面。由图3竖向位移云图可知，发生最大竖向位移的点位于第四级挡墙坡顶处，沉降位移值为0.531m。加筋后挡墙位移大幅度降低，复合筋材对控制挡墙变形效果更明显。

表2 不同挡墙下各监测点的位移值

图2 复合加筋挡墙的水平位移云图

图3 复合加筋挡墙的竖直位移云图

3.3 应力应变分析

轮胎条带挡墙最大剪应力值为2.62MPa，复合加筋挡墙最大剪应力值为1.73MPa，均出现在坡脚位置处，越靠近坡顶位置处其值越小。说明复合布筋方式可以明显改善填土内的剪应力分布，减少挡墙剪应力集中现象（见图4）。

图4 挡墙的最大剪应力云图

由塑性区分布图可看出，轮胎条带挡墙塑性区范围较窄，剪切带距离坡顶43m，而复合加筋挡墙塑性区范围扩大，且贯通位置后移，剪切带距离坡顶63m，说明玄武岩纤维筋和轮胎条带共同作用，有效地提供了抗拉力，阻止其滑裂面的贯通。挡墙的等效应变云图见图5。

图5 挡墙的等效应变云图

3.4 稳定性分析

根据《建筑边坡工程技术规范》，安全系数不应小于1.35。对比分析未加筋、轮胎条带挡墙和复合加筋挡墙稳定性，安全系数如表3所示。未加筋时，挡墙安全系数为1.05，不能满足规范要求，因此需要采用加筋方式来提高挡墙的安全性。复合布筋方式相比于仅布置轮胎条带，安全系数提高了30.1%，说明复合加筋方式能有效地提高挡墙的稳定性。

表3 挡墙的安全系数

4 结论

①筋材可有效地控制挡墙的变形，相比之下，复合筋材对控制挡墙变形效果更明显，能有效地提高挡墙的稳定性。

②复合布筋方式可以明显改善填土内的剪应力分布，减少挡墙剪应力集中。

③玄武岩纤维筋和轮胎条带共同作用，能有效地提供了抗拉力，阻止其滑裂面的贯通。