台阶式格栅加筋挡墙现场试验及数值分析

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｓｔｅｐｐｅｄ ｒ ｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌ ｗｉｔｈ ｇｅｏｇｒ ｉｄ ｒ ｅｉｎｆｏｒ ｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｉｔｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
３ ３ Ｍｏ Ｊｉｅｚｈｅｎ１ Ｈｅ Ｇｕａｎｇｃｈｕｎ２ Ｗａｎｇ Ｃｈｅｎｇｚｈｉ２， Ｚｈｏｕ Ｓｈｉｌｉａｎｇ２，
第 ４１ 卷第 ５ 期 ２ ０ ０ ８年５月
土
木
工
程
学
报
Ｖｏｌ ． ４１ Ｍａｙ．
Ｎｏ． ５ ２００８
ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
台阶式格栅加筋挡墙现场试验及数值分析
３ ３ 莫介臻 １ 何光春 ２ 汪承志 ２， 周世良 ２，
（ １． 广东省路桥建设发展有限公司，广东广州５１０６３５；２． 重庆交通大学，重庆 ４０００７４； ３． 大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４ ） 摘要：为研究山区高等级公路高强土工合成材料加筋陡坡路基新形式及其与生态环境快速恢复结合问题，对广东 省河龙 （ 河源至龙川 ） 高速公路 Ｋ２９＋３０７～Ｋ２９＋３５３ 段分级直立式格栅加筋路基挡墙进行现场试验测试分析，分 别测试挡墙从施工到正常使用期间加筋体内筋带拉力、土压力分布、墙面变形以及地基应力等。针对这种形式的 加筋挡墙发展了有限元数值分析方法，将计算结果与试验实测结果进行对比分析，验证加筋挡土墙结构应力与变 形有限元分析的可靠性，为该类型的加筋挡墙设计提供参考依据。 关键词：土工格栅；加筋结构；有限元；加筋刚度 中图分类号：ＴＵ４３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１３１Ｘ （ ２００８ ） ０５－００５２－０７
（ １． Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ ＆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３５， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｓｔａｌ ａｎｄ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄａｌｉａｎ １１６０２４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｏｒ ｓｔｅｅｐ－ ｇｒａｄｅ ｈｉｇｈｗａｙｓ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａｓ， ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ａ ｓｔｅｐｐｅｄ ｇｅｏｇｒｉｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｏｉｌ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｈｅ－Ｌｏｎｇ ｈｉｇｈｗａｙ ｆｒｏｍ Ｋ２９＋３０７ ｔｏ Ｋ２９＋３５３ ｉｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎｃｌｕｄｅ： ｐｕｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｂｅｌｔ， ｌａｔｅｒａｌ ｓｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｆｉｌｌ， ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌｓ ａｎｄ ｇｅｏｇｒｉｄｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｇｅｏｇｒｉｄｓ； ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ； ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｇｅｏｇｒｉｄｓ Ｅ－ｍａｉｌ： ｈｅｇｃ＠ｃｑｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ 路建设中深挖高填路基处理的关键技术问题，对技术
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ｎ
（１） （ ２ ）
式中：ｃ 和 ! 分别为土的黏结力和内摩擦角；Ｒｆ 为破 坏比； ｋ、 ｎ 分别为初始模量系数与指数；ｋｂ、 ｍ 分别为 体积模量系数与指数。这些模型参数均可由常规土工 试验确定。 土工格栅加筋采用线弹性的杆单元来模拟，该单 元只能受拉、不能受压。加筋的拉伸刚度可由平面拉 伸试验测得。 采用界面单元模拟填土和面板之间以及填土和加 筋之间的接触特性，在接触面处设置两组正交弹簧分 布于单元长度上，其中一组弹簧垂直于接触界面，其 刚度很高；另一组弹簧平行于接触界面，切向弹簧控 制着接触面的切向相对位移，反映剪力与切向位移之 间的非线性性质，且依赖于应力水平。具体地，采用
２
２．１
泛应用的计算方法。本文采取的是能够模拟土体逐层
加筋挡土墙有限元数值分析方法
非线性有限元数值分析方法 在土体非线性分析中，增量法与迭代法是两种广
填筑、荷载逐级施加等过程的中点增量法。在这种分 析方法中，无论是逐层填筑还是分级加载，每一个荷 载增量均进行两次计算，首先按照增量前初始刚度计 算荷载增量之半作用土体的增量应力与位移，进而与
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土 木 工 程 学力与总位移；依 此估算荷载增量中点处的切线刚度阵，然后将增量荷 载一次施加，求得该级加荷增量相应的位移增量及应 力增量，与该级加载前初始位移及应力累加到增量末 的总位移与总应力，这种算法既能模拟土体逐层填筑 过程，又能反应外荷载作用下土体的非线性变形特性。 ２．２ 本构模型及参数特性 计算采用了 Ｄｕｎｃａｎ－ Ｃｈａｎｇ 双曲线模型 Ｅ－ Ｂ 模式 描述回填土的非线性变形特性，其中切线变形模量 Ｅｔ 非线性地依赖于应力水平与约束压力，体积模量 Ｂ 非线性地依赖于约束压力 Ｒ （１－ ｓｉｎ!） （#１－ #３） ２ # Ｅｔ＝ １－ ｆ ｋｐａ ３ ２ｃ ｃｏｓ!＋２#３ ｓｉｎ! ｐａ ｍ # Ｂｔ＝ｋｂ ｐａ ３ ｐａ
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３
筋带计算参数试验
结点单元模式，如图 ４ 所示。
本次试验所采用的加筋材料是高强土工格栅，格 ≤８％ ；破断 栅极限强度 Ｔｕ＝１２０ ｋＮ／ｍ，破断伸长率 δ 伸长率 δ ≤２％时，格栅强度 Ｔ≥４０ ｋＮ／ｍ。试验采用相 同规格的格栅单肋，分别在 ２００ ｋｇ、４００ ｋｇ、６００ ｋｇ、 ８００ ｋｇ 荷载作用下，观察并记录不同时刻的变形量， 并绘制成时 间 － 应力 － 伸长 量关系曲线 （如图 ５ 所 示 ） 。分析试验数据发现，为了便于数值分析中的材 料参数选取，可以把单肋在中、低应力状态下的应力 和伸长率关系曲线近似为两段直线。为此，取时间为 １ ｈ￣１００ ｈ 间距为 ２ ｈ 对应的 ４ 个拉应力及伸长率，将 它们绘成应力和伸长率曲线，对这些曲线上伸长率区 间为 ０～０．０１５ 和 ０．０２５～０．０６ 时的应力进行一次拟合 ，两段直线交点处的应力为 ３８．１２３ ＭＰａ， （如图 ６ 所示） 对应的拉伸率为 ０．０１７。因此，筋带在低应力状态下 （σ ≤３８．１２３ ＭＰａ） 的拉伸模量 Ｅ＝１９６１．９３ ＭＰａ，在中应 力 状 态 下 （３８．１２３ ＭＰａ ≤σ ≤８０ ＭＰａ ） 的拉伸模量 Ｅ＝６１９．９９ ＭＰａ。
图 １ 格栅加筋土挡墙竣工时情况 Ｆｉｇ． １ Ｓｔｅｐｐｅｄ ｒ ｅｉｎｆｏｒ ｃｅｄ ｒ ｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌ
图 ２ 现场测试段立面图及测试断面分布 Ｆｉｇ． ２ Ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ
Ｆｉｇ． ３
图 ３ 现场测试断面测点布置 Ａｒ ｒ ａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇａｕｇｅｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ
山区高等级公路建设，由于地形、地貌和地质环 境复杂，为保证达到设计的技术标准，深挖高填比比 皆是。采用传统的设计施工方法，大开挖、大回填不 可避免。虽设计施工简单，却存在明显的缺陷：一是 施工期中及工程建成后对公路沿线造成不同程度的生 态和环境破坏；二是占用大量的宝贵的土地资源；三 是工程量大、工期长；四是工程造价高。针对山区公
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工程概况
国道 ２０５ 线河龙 （ 河源至龙川 ） 高速公路东江段
路基挡墙 Ｋ２９＋３０７￣ Ｋ２９＋３５３ 段采用新型加筋土挡墙 结构。高速公路相关主要技术指标为：计算行车速度 为 ８０ ｋｍ／ｈ；设计荷载为汽车一超 ２０，挂车－ １２０；路 基宽度 ２４．５ ｍ；地震基本烈度 ６ 度。试验段地形基本 沿东江南岸展布，沿河地形坡度一般呈 ３４° ￣３５°倾 斜，局部陡峭，甚至形成陡壁；路线所在区域属侵剥 蚀微丘区及低山重丘区，地形起伏较大，山峦重叠， 地形切割剥蚀严重，局部“Ｖ”形沟谷发育。 试验段总长 ４６ ｍ，全高 １２￣１５ ｍ。加筋土挡墙前
１］ Ｇｏｏｄｍａｎ 无厚度接触单元［ 模拟接触面特性，对于四
其中，Ｋｎ 与 Ｋｓ 分别为接触面的法向刚度与切向刚度。 对于 Ｋｎ，当接触面受压时，为了模拟两边单元不会 在接触面处重叠，Ｋｎ 应取一大数，如 Ｋｎ＝１０８ ｋＮ ・ ｍ－ ３； 但当计算所得的法向应力为拉应力时，由于接触面通 常认为是不能承受拉力的，则 Ｋｎ 应取一小数，如 Ｋｎ＝１０ ｋＮ ・ ｍ－ ３。无量纲法向弹性系数为 ｋｎ ＝Ｋｎ／γ ｗ。对 于 Ｋｓ，试验表明剪应力和切向相对位移之间常呈非 线性关系，可以用类似于 Ｄｕｎｃａｎ－ Ｃｈａｎｇ 模型的双曲 线关系来表达，由此所得到的剪切刚度为： ｎ ２ σ ｎ １－ Ｒｆｓ τ Ｋｓｔ＝ｋｓγ （ ３ ） ｗ Ｐａ τ ｆ 式 中 ： ｋｓ 为 切 向 弹 性 系 数 ， 其 他 参 数 和 填 土 的 Ｄｕｎｃａｎ－ Ｃｈａｎｇ 模型中的参数意义相同。为了能够正 确模拟接触面单元，关键问题是合理地确定界面的切 向刚度参数。实践证明，通过室内直剪试验和拉拔试 验可以确定土与加筋接触面的参数，土与面板单元的 ２］ 接触特性也可由相应的直剪试验确定［ 。