作者简介:贾 良(1982—),男,陕西铁路工程职业技术学院讲师.研究方向:岩土工程和隧道工程. E-mail: styjialiang1982@163.com
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Department of Rail Engineering, Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, Shaanxi Province, P.R.China
soil mechanics; reinforced earth retaining wall; field test; numerical model; double twisted hexagonal wire mesh; horizontal earth pressure; vertical earth pressure
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2016.01055
依托高速公路加筋土柔性挡墙建设项目,对钢丝网加筋土挡墙进行现场监测分析,研究此种新型加筋挡墙结构形式在逐层填土过程中以及施工结束后,水平方向和竖直方向土压力的分布规律; 借助数值分析软件FLAC,对双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙进行了数值模拟. 研究表明,墙底处水平、竖直和45° 三个方向的土压力随着填土高度的增加而增大,施工完成后趋于稳定; 各层筋材处竖向土压力随着填土高度的增加而增大,对于同一层筋材不同位置,竖向土压力分布不均; 随着填土高度的增加,墙后水平土压力先增大后减小,呈单峰变化,数值模拟与实测值变化规律基本一致.
Based on a double twisted hexagonal wire mesh reinforced earth retaining wall built along an Expressway, we investigate the soil pressure in a cross section by field test and numerical simulation by FLAC, focusing on the horizontal and vertical earth pressures during and after wall construction. Results show that the earth pressures on the wall toe in 3 directions including horizontal, vertical, and 45° increase with the height of filling soil and gradually come to stability after wall construction, and the vertical earth pressures increase and the distribution for earth pressure at the same height is not uniform. The horizontal earth pressure on the back of the wall face increases fast at first but then decreases a little, appearing as a single peaked shape. The numerical simulation result coincides with the field test result.
加筋土结构具有良好的工程特性,被广泛应用于公路、铁路和市政水利等工程领域. 随着加筋土工程的修建,加筋理论的不断发展,新型的筋材和加筋土结构也层出不穷[1-2]. 如双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙、吉奥生态挡墙、钢网面板包裹式土工格栅加筋挡墙和土工格栅包生态袋加筋挡墙等[3- 6]. 双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙是一种新型挡墙结构. 美国、法国和泰国等对此种新型加筋土挡墙研究比较多,近年来,这种新型挡墙结构被引入中国,相关研究也由此展开.
针对公路改扩建工程中沥青路面存在的反射裂缝和差异沉降问题,采用双绞合钢丝网加筋新技术应用于沥青路面[7-10],可提高沥青路面的使用寿命, 降低运营期间的养护和维修费用. 六边形钢丝网加筋土挡墙对地基承载力要求相对较低,具有适应性强、整体性好、抗震性能高、施工速度快、工程质量容易保证、造价低和能营造自然生态景观等优点,被广泛用于边坡支挡结构当中. Bergado等[11]对双绞合六边形钢丝网和粉砂进行拉拔试验研究,发现钢丝网的抗拔力由承载阻力和摩擦阻力组成. 黄向京等[12-13]通过不同方法向压力作用下的拉拔试验,研究了双绞合六边形钢丝网与红砂岩粗粒土的界面特性,提出了基于剪切刚度的筋-土界面关系幂函数模型. 杨果林等[14-15]对加筋挡墙工程进行了筋材拉伸试验、拉拔试验、加筋红砂岩粗粒土挡墙的承载力模型试验、疲劳特性模型试验、水平抗震性能模型试验以及大量现场试验. 然而,借助现场试验对双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙的研究报道不多,对此种加筋土挡墙的试验与数值对比分析的研究就更少. 本研究对某高速公路钢丝网加筋土挡墙进行现场试验,采用数值软件对现场试验进行仿真分析,探讨此种具有生态修复功能的加筋土挡墙的内部土压力随墙高、位置变化的分布规律.
FLAC有限差分软件自带多种土体本构模型,可以解决许多岩土方面的数值分析问题,因此被广泛应用. 以现场试验断面双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙为原型建立FLAC有限差分模型,土体的本构模型选用莫尔库仑模型,加筋单元和面墙单元选用FLAC中内置的geogrid结构单元(弹性模型). 模型在路线长度方向取单位长度1 m,路面宽度取20 m,地基深15 m、宽36 m. 土体与geogrid结构单元的节点进行耦合. 边界条件为:约束y=-15 m(基底)各个节点的水平和竖向位移,约束地基左端和右端水平向位移. 土体的黏聚力C=9.0 kPa,内摩擦角为33°,密度ρ=1 800 kg/m3,土体的塑性指数Ip>17, 为黏性土,平均渗透系数为0.11×10-2 cm/s,最优含水率为15.8%,最大干密度为1.74 g/cm3. 土体颗粒级配良好,各项路用性能指标均能满足当地高速公路填料的要求,相关参数取值如表2. 通过室内拉拔试验可以确定钢丝网与土体的复合内摩擦角φ=32°,复合黏聚力C=10.3 kPa,其他各参数的取值参考设计资料; 数值分析建模如图2.
在挡墙底部距墙趾1.2 m处分别埋设了受力面水平、受力面竖直向上、受力面与水平面成45° 夹角的3个土压力盒,分别监测挡墙基底既定位置的水平土压力、竖向土压力和45° 方向土压力,测试结果如图3. 由图3可知,水平土压力、竖向土压力和45° 方向土压力随着填土高度的增加而增大,填土完成后一段时间内趋近于定值. 在前7层(40 d)的土体填筑过程中,水平、竖向和45° 方向的土压力增加速度都较快,随后变缓,施工完成后均趋于稳定. 当填土高度超过第7层后,竖直方向的土压力增加速度变慢. 在加筋挡墙施工完成后,水平方向土压力最大,竖直向土压力最小. 水平土压力与45° 方向土压力均较大,将导致坡脚前方土体有沿45°方向滑动的趋势,如图4.
图5为挡墙内第2、6和10层筋材上距离面墙不同位置处的竖向土压力随挡墙高度变化曲线.由图5可知,土体竖向压力随着填土高度的增加而增大,同一高度土体的土压力分布不均. 由图5(a)可知,第2层筋材处的竖向土压力随填土高度增加逐渐增大. 在第2层筋材以上,竖向土压力沿筋长方向呈非线性曲线分布. 由于挡墙与水平面有约70°倾角,使得越靠近面墙的竖向土压力的增幅越小,竖向土压力沿面墙向内先增加后减少,为单峰变化,最大值出现在距离面墙约2 m处,而在距离面墙4.6 m处出现波谷.图5(b)为第6层筋材竖向土压力沿面墙向内的变化曲线,图5(c)为第10层筋材竖向土压力沿面墙向内的变化曲线. 由图5(b)和(c)可知,第6层和第10层钢丝网处竖直方向土压力变化规律与第2层钢丝网相同,由面墙处向路基内部土压力呈非线性变化,面墙处竖直方向的土压力随土体填筑高度的增加逐渐增大.
由FLAC软件计算获得了第2、6和10层筋材不同位置处的竖向土压力分布情况,分布云图如图6.
第2、6和10层筋材竖向土压力变化曲线如图7. 由图7(a)看出,第2层筋材处竖向土压力随挡墙填土高度增加而增大,在面墙附近增加较少,随着与面墙距离增大单调递增. 面墙处的竖向土压力变化规律与现场实测值基本一致,原因在于面墙可通过柔性变形产生卸荷作用. 由图7(b)和图7(c)可知,除距面墙1.8 m外,第6和第10层筋材竖向土压力的曲线变化与实测结果相对比较符合. 竖向土压力在与面墙的距离5.6 m处(末端)有所减小,而在距离面墙2.5~4.5 m内最大.
竖向土压力受钢丝网反包的面墙刚度、坡度和土体的密实度等多方面影响. 双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙的竖向土压力分布规律不同于一般的梯形或均匀分布等模式. 竖向土压力的分布与筋材的抗拉和抗拔安全系数紧密联系,因此,有必要对双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙的竖向土压力分布进行研究.
水平方向土压力随填高变化的规律如图8. 由图8可知,随着填土高度的增加,水平土压力先增大后减小,增加速度较快,而减小速度较缓. 双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙面墙附近的土压力与刚性挡墙有所不同,双绞合六边形钢丝网挡墙大多都有一定的倾角,因此,在施工过程中,路面外边沿面墙附近的填土通常用人工打夯机把土体夯密实,而人工打夯的均匀性较差. 随着上覆荷载(填土增厚)增加,水平向土压力也随之增大. 当填土达到一定高度后,该位置处的水平向土压力达到最大值,当上覆荷载(填土增厚)继续增加时,由筋材包裹的面墙向外发生鼓起变形,由此产生卸载作用,水平向土压力由于卸载作用而产生不同程度的减小.
面墙后水平土压力随墙高变化曲线如图9. 由图9实测均值可知,随着填土高度的增大,水平土压力的最大值不足4 kPa,水平土压力平均值先增大后减小,为单峰变化. 墙背水平土压力的实测值与朗肯土压力的计算值差别较大,原因在于朗肯土压力计算时假设墙后是无限延伸的水平面,而实际填土路面宽度在有限(<40 m)范围之内,两者明显不符. 在《公路路基设计规范》[16]中,加筋土挡墙的土压力计算方法通常采用库仑公式,当加筋挡墙高于6 m时,采用主动土压力作为水平向土压力的设计值,当加筋挡墙低于6 m时,采用静止与主动土压力的线性内插值作为水平土压力的设计值. 然而,双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙不宜采用此方法计算挡墙后的土压力,还需对此进行深入研究后确定.
综上研究知:① 距离墙趾1.2 m处基底水平土压力值最大,45° 方向土压力值次之,竖向土压力值最小; ② 现场实测的双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙的竖向土压力由墙面向内(钢丝网布设方向)呈非线性变化,最小值在挡墙附近,在距离墙面2 m处的值最大,且各层土之间的土压力分布不均匀; 数值模拟得到的竖向土压力随着填土的增高而非线性增大,竖向土压力的最小值同样在面墙附近; ③ 随着填土高度的增加,双绞合六边形钢丝网加筋土挡墙面墙后水平土压力先增大后减小,增加速度较快,而减小速度较缓,呈D形分布,峰值出现在挡墙中部; ④ 面墙后水平土压力的数值模拟值与现场实测值变化规律大体一致,但是数值模拟值大于实测值.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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