加筋土挡墙

加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构数值模拟

薛鹏鹏，郑俊杰，曹文昭，赖汉江

(华中科技大学 岩土与地下工程研究所，武汉 430074)

摘 要：针对软弱土层上方高填方路堤的填筑问题，提出了一种加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构。采用有限差分软件FLAC3D建立加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构数值分析模型，着重分析了不同面板浇筑方式对加筋土挡墙墙面水平位移、墙背土压力、桩身水平位移、桩身弯矩和土工格栅应力分布的影响。模拟结果表明：后浇式刚性面板组合支挡结构的墙面水平位移呈线性分布，最大位移出现在墙顶；所受土压力远小于刚性面板；桩身水平位移和弯矩均较大。刚性面板组合支挡结构的土工格栅最大拉应力出现在面板与格栅连接处，而后浇式刚性面板组合支挡结构土工格栅最大拉应力随着层高的增加，出现位置距离挡墙越远。后浇式刚性面板组合支挡结构由于其面板位移和受力较小，性能良好，故其适合在软弱土高填方地区推广使用。

关键词：加筋土挡墙；组合支挡结构；抗滑桩；数值模拟；桩体变形

1 研究背景

西部山区高速公路、铁路等工程建设中，常面临在软弱土层上进行高填方路堤填筑施工问题，采用单一的支挡结构基本无法满足工程建设的需求。针对西部山区高填方工程中坡体较陡、覆盖土层稳定性较差、承载力较低和稳定地层埋藏较深的问题，本文提出了一种新型组合支挡结构(如图1所示)。该结构由抗滑桩、连系梁、加筋土挡墙和连接构件组成，其中刚性面板为后浇式钢筋混凝土板，在加筋土挡墙建成后再整体浇筑。

图1 组合支挡结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of composite retaining structure

国内外学者对加筋土挡墙和抗滑桩开展了大量研究，而对于加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构研究较少。Tatsuoka等[1]提出一种全高刚性面挡墙，通过在碎石包裹式加筋土结构外侧现浇一层刚性混凝土面板，可有效限制墙后填土的侧向变形。唐晓松等[2]采用强度折减法研究了筋带间距、筋带长度和筋-土界面似摩擦系数对组合支挡结构安全性的影响。Chen等[3]通过建立二维流固耦合数值模型分析了软土地基上的加筋土挡墙的稳定性，认为下部加筋层筋材的长度、刚度和强度的增大有利于提高加筋土挡墙的整体稳定性。戴自航[4]根据抗滑桩模型试验和现场实测资料结果，针对不同的岩石类型，提出了相应的滑坡推力和土体抗力分布函数。雷文杰等[5]采用强度折减法分析了沉埋桩桩长对边坡安全系数和桩身内力的影响。蒋鑫等[6]根据离心模型建立了抗滑桩数值分析模型，分析了桩距、桩长、桩身弹性模量、截面尺寸对抗滑桩性能的影响。

针对本文提出的后浇式刚性面板加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构，采用有限差分软件FLAC3D建立数值分析模型，并与刚性面板加筋土挡墙-抗滑桩组合支挡结构进行对比，分析2种不同浇筑形式对面板水平位移、墙背土压力、桩身水平位移、桩身弯矩、格栅应力的影响。

2 数值建模与参数选取

2.1 数值模型

为研究后浇式刚性面板组合支挡结构的特性，对原有山区高填方边坡进行简化，取一个计算单元，并建立如图2所示的FLAC3D数值模型，同时以刚性面板组合支挡结构作对比。其中，抗滑桩桩长12 m，桩间距6 m，桩身截面为矩形，受力面宽1.8 m，侧面宽2.4 m。需要说明的是，在模型中由于选取了典型截面，抗滑桩只取半桩，即模型中的受力面宽为0.9 m。连系梁截面尺寸为：宽2.4 m，高1.2 m。加筋土挡墙墙高14.4 m，采用单级挡墙，钢筋混凝土面板厚0.6 m，袋装碎石层厚0.6 m。

图2 组合支挡结构数值模型
Fig.2 Numerical models of composite retaining structures

刚性面板组合支挡结构的施工顺序为：①进行抗滑桩和连系梁施工；②浇筑钢筋混凝土面板；③铺设土工格栅，分层压实填土；④施加上部静载(30 kPa)。后浇式混凝土面板组合支挡结构的施工顺序为：①进行抗滑桩和连系梁施工；②将袋装碎石逐层堆压在土工格栅上，然后分层填筑、压实填土；③后浇钢筋混凝土面板；④施加上部静载(30 kPa)。

2.2 材料本构模型及参数

FLAC3D数值模型中，地基土、软弱土和填土均采用摩尔-库伦模型，袋装碎石、挡墙面板、抗滑桩和连系梁均采用弹性模型，参数详见表1。抗滑桩与土层间设置接触面，接触面摩擦参数取相邻土层参数的80%，法向刚度kn和剪切刚度ks取接触面相邻区域“最硬”土层等效刚度的10倍[7]，即

。

(1)

式中：K为体积模量；G为剪切模量；Δzmin为接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。接触面的其他参数详见表2。

表1 模型材料参数
Table 1 Parameters of materials in numerical model

材料弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)剪胀角/(°)泊松比重度/(kN·m-3)地基土50203600.3020.0软弱土4101800.3017.0填土3053000.3019.5袋装碎石300———0.2520.0挡墙面板30000———0.1725.0抗滑桩30000———0.1725.0连系梁30000———0.1725.0

表2 接触面参数
Table 2 Parameters of contact interfaces

接触面黏聚力c/kPa摩擦角φ/(°)kn(ks)/GPa抗滑桩与地基土16281.496抗滑桩与软弱土8140.120挡墙与填土4240.404

土工格栅水平铺设，从下至上依次编号，共铺设13层，每层间距为1.2 m，格栅厚度为5 mm，弹性模量E=2.6 GPa，泊松比取ν=0.33，耦合弹簧黏聚力c=2 kPa，耦合弹簧摩擦角φ=24°，单位面积刚度k=2.3 MPa。需要说明的是，参数选取充分考虑了材料特性和工程实际情况，并非实测结果。

图3 墙面水平位移
Fig.3 Lateral displacements of wall surface

3 数值计算结果分析

3.1 墙面水平位移

图3为刚性面板工况和后浇式刚性面板工况下的挡墙水平位移。对于刚性面板工况，在施工结束阶段和静载阶段墙面的水平位移分布模式相似，均呈线性分布，墙面最大水平位移均出现在墙顶。施加静载过程中，挡墙的水平位移增量沿墙高呈现“下小上大”的线性分布，刚性面板组合支挡结构产生的墙面最大水平位移达到251 mm，而刚性挡墙面板类似于悬臂结构，如此大的位移会使得面板产生绕墙趾较大的转动，导致刚性面板下部产生应力集中，结构也因此更加不稳定。

后浇式刚性面板工况的施工结束阶段和静载阶段墙面水平位移“鼓肚”现象[8]较为显著。墙面最大水平位移出现在墙高4.8 m位置。墙面最大水平位移在施工结束阶段为155 mm，静载阶段为196 mm。在不考虑时间效应引起的最大墙面水平总位移变化时，可以近似将静载阶段位移当作总位移，计算得到施工阶段已经完成了墙面最大水平总位移的79.1%。需要指出的是，后浇式刚性面板工况下，其面板是在填土填筑完成后施工，面板实际位移即为静载阶段和施工结束阶段水平位移之差。因此，后浇式刚性面板的实际水平位移呈“下小上大”的线性分布，最大水平位移在墙顶，为57.5 mm。

对比2种工况面板水平位移可发现，刚性面板工况下的挡墙容易发生较大水平位移，而后浇式面板加筋土挡墙既能够保证结构整体刚度，又能显著减小面板位移，保证了支挡结构的安全性。

图4 墙背土压力
Fig.4 Earth pressures behind walls

3.2 墙背土压力

图4为刚性面板工况和后浇式刚性面板工况下的墙背土压力分布。从图4可见，刚性面板工况的墙背水平土压力强度在施工结束阶段和静载阶段沿墙高呈非线性分布。在墙高5.4 m以上位置，刚性面板工况施工结束阶段(即自重作用下)的土压力与朗肯土压力的结果吻合较好[9]；而沿墙高5.4 m以下的位置，墙背土压力明显大于朗肯土压力，挡墙中下部应力集中现象比较明显。

后浇式刚性面板工况静载阶段面板所受的侧向土压力呈非线性分布，远小于刚性面板工况静载阶段的侧向土压力，最大侧向土压力为38.5 kPa，出现在墙底。由于后浇式刚性面板在填土填筑完成后施工，施工结束阶段墙后的土压力主要由袋装碎石和土工格栅承担，此时结构属于柔性挡墙，适应地基大变形及不均匀沉降的能力强，但墙面容易倾斜和变形[10]。在静载阶段，后浇式刚性面板刚度较大，能够约束水平土压力导致的墙面弯曲变形，且后浇式刚性面板只承担部分上覆荷载传递的荷载。因此，后浇式刚性面板的侧向土压力远小于刚性面板所受土压力。

3.3 桩身水平位移

图5为刚性面板工况和后浇式刚性面板工况下的桩身水平位移对比。抗滑桩的水平位移可分为2部分，即受到横向力作用时的轻微挠曲变形和绕桩身一点(深度10.5 m左右)的转动变形。刚性面板工况下的抗滑桩随着静荷载的施加，桩身最大水平位移从83.8 mm增加到110 mm。后浇式刚性面板工况的桩身水平位移略大于刚性面板工况，施工结束阶段桩顶最大水平位移为90 mm，增加了6.9%;静载阶段桩顶最大水平位移为117 mm，增加了6.4%。造成抗滑桩水平位移增大的原因主要是由于在施工阶段袋装反包碎石结构属于柔性挡墙，结构整体刚度较小，加之结构处于软弱上覆土层，不可避免地使抗滑桩产生较大水平位移。

图5 桩身水平位移
Fig.5 Lateral displacements of piles

3.4 桩身弯矩

图6为刚性面板工况和后浇式刚性面板工况下的抗滑桩桩身弯矩对比。从图6可看出，随着深度的增加，桩身弯矩呈先增大后减小的非线性变化趋势，最大弯矩发生在桩深5.5 m处。

图6 抗滑桩桩身弯矩分布
Fig.6 Distribution of bending moments in anti-slide piles

图7 格栅拉应力分布
Fig.7 Distribution of tensile stress distribution of geogrids

整体而言，后浇式刚性面板工况的桩身弯矩在各个阶段均大于刚性面板工况，且后浇式刚性面板工况的桩身水平位移更大。因此，在设计时应考虑到不同面板浇筑方式对抗滑桩受力性能的影响。

3.5 格栅应力分布

图7为刚性面板工况和后浇式刚性面板工况施工结束阶段和静载阶段格栅拉应力分布对比。对于刚性面板工况，各层土格栅拉应力分布在墙后呈非线性减小趋势，在格栅与挡墙连接处拉应力最大。施工结束阶段，在第7，9，11层的格栅拉应力较大，说明中上部格栅强度发挥比较明显。而静载阶段，第11，13层的格栅拉应力增长明显，说明填土顶面静载主要由上部筋材承担，而底层筋材作用不明显。

后浇式刚性面板组合支挡结构各层格栅拉应力分布在墙后呈先增大后减小的趋势。在施工结束阶段，各层土工格栅拉应力集中在墙后连接处，在距离墙后5 m处迅速衰减；在静载阶段，第11，13层的格栅拉应力增长迅速，说明静载将上层的格栅拉力发挥出来。随着层高的增加，各层土工格栅最大拉应力出现在墙后一段距离,最大拉应力位置距离挡墙越来越远。值得一提的是，挡墙与土工格栅连接处的拉应力也较大，而文献[11]提到的FHR面加筋土挡墙中土工格栅与墙连接处的拉力很小。产生这样的差别可能是本文建模时考虑将墙体与土工格栅单元通过改变link属性进行连接，而文献[11]中土工格栅和墙面的连接可能未考虑到这一点。

4 结 论

本文通过数值分析方法分析了在软弱土层分布的高填方区域建立的后浇式刚性面板组合支挡结构，同时对比刚性面板组合支挡结构，分析了2种不同墙面浇筑方式对墙面水平位移、面板土压力强度、桩身位移、桩身弯矩和土工格栅应力分布的影响，主要得出如下结论：

(1) 刚性面板组合支挡结构和后浇式刚性面板组合支挡结构的刚性面板位移呈线性分布，最大水平位移出现在挡墙顶部。后浇式刚性挡墙组合支挡结构的面板承受的土压力远小于刚性面板组合支挡结构。

(2) 后浇式刚性面板组合支挡结构的桩身水平位移和桩身弯矩均略大于刚性面板组合支挡结构，故对抗滑桩的抗弯能力要求更高。

(3) 刚性面板支挡结构的各层格栅最大拉应力在墙后连接处，后浇式刚性面板各层土工格栅最大拉应力随着层高的增加，出现位置距离挡墙更远。

参考文献：

[1] TATSUOKA F，TATEYAMA M，UCHIMURA T，et al. Geosynthetics-reinforced Soil Retaining Walls as Important Permanent Structures，1996—1997 Mercer Lecture[J]. Geosynthetics International，1997，4(2): 81-136.

[2] 唐晓松，王永甫，郑颖人. 土工格栅加筋土挡墙在复杂工程地质条件下的应用[J]. 防灾减灾工程学报，2013，33(增2): 42-46.

[3] CHEN Jian-feng，LIU Jun-xiu，XUE Jian-feng，et al. Stability Analyses of a Reinforced Soil Wall on Soft Soils using Strength Reduction Method[J]. Engineering Geology，2014，177(14): 83-92.

[4] 戴自航. 抗滑桩滑坡推力和桩前滑体抗力分布规律的研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21(4): 517-521.

[5] 雷文杰，郑颖人，冯夏庭. 滑坡加固系统中沉埋桩的有限元极限分析研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(1): 27-33.[6] 蒋 鑫，刘晋南，黄明星，等. 抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的数值模拟[J]. 岩土力学，2012，33(4): 1261-1268.

[7] 彭文斌. FLAC3D实用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[8] 陈建峰，顾建伟，石振明，等. 软土地基加筋土挡墙现场试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(增1)：3370-3375.

[9] 杨广庆，周亦涛，周乔勇，等. 土工格栅加筋土挡墙试验研究[J]. 岩土力学，2009，30(1): 206-210.

[10]陈建峰，柳军修，石振明. 软弱地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35(2): 422-432.

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(编辑：黄 玲)

Numerical Simulation on Composite Retaining Structure Composed ofReinforced Soil Retaining Wall and Anti-slide Piles

XUE Peng-peng，ZHENG Jun-jie，CAO Wen-zhao，LAI Han-jiang

(Institute of Geotechnical and Underground Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Abstract：A composite retaining structure composed of reinforced soil retaining wall and anti-slide piles is proposed to solve the construction problems in high fill embankment upon soft soil. Finite difference software FLAC3D was used to establish the numerical models of composite retaining structure. The influences of cast mode of panels on lateral displacement of wall surface，lateral earth pressure behind retaining walls，lateral displacement and bending moments of anti-slide piles and stress distribution of geosynthetic geogrids were analyzed. Numerical results revealed a linear distribution of lateral displacement of panels in post-cast rigid mode and the maximum displacement at the top of walls. Earth pressure on post-cast panels was far less than that on rigid panels. Moreover，the displacement and bending moments of anti-slide piles in the composite retaining structure with post-cast rigid panels were larger than those in the structure with rigid panels. The largest tensile stress of geosynthetic geogrids in the structure with rigid panels was found at the junction between panels and geogrids;while for the structure with post-cast rigid panels，the position of the largest tensile stress deviated from the retaining wall as the layer of geogrids were higher.Composite retaining structure with post-cast rigid panel could be used and promoted in high embankment area on soft soil due to its good performance with small displacement and earth pressure on post-cast panel.

Key words：reinforced soil retaining wall; composite retaining structure; anti-slide pile; numerical simulation；pile deformation

收稿日期：2016-06-24;

修回日期：2016-08-11

基金项目：国家自然科学基金项目(51278216)

作者简介：薛鹏鹏(1993-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事地基加固处理方面的研究工作，(电话)13006300454(电子信箱)[e-mail]。

通讯作者：郑俊杰(1967-)，男，湖北黄陂人，教授，博士生导师，博士，主要从事岩土工程与隧道工程方面的教学、科研与技术咨询工作，(电话)18971079797(电子信箱)[e-mail]。

doi：10.11988/ckyyb.20161066

中图分类号：TU472

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2017)02-0075-05

2017,34(2):75-79