学文网摘要：采用非线性有限元法对某工程实例双面加筋土挡墙成功模拟的基础上，通过改变填料土和地基土体的物理性质，分析其对挡土墙墙背水平土压力的影响，结果表明，填料土的C、值改变对挡土墙墙背水平土压力基本没有影响，地基土和填料土的变形模量对挡土墙土压力影响较为明显，研究成果对该挡土墙的优化设计和进一步推广应用提供参考依据。
关键词: 双面加筋土挡墙；土压力；非线性有限元法；填料土；地基土；
中***分类号：TU476 文献标识码：A
加筋土技术在国内外工程界应用越来越广泛。双面加筋土挡墙作为一种新型的支挡结构形式，具有成本低、材料耗费少、施工方便等优点。目前广泛应用于山区高填方路堤工程中，该结构是由填料土、拉筋和面板组成的一种复合体，面板采用多边形混凝土预制板，可人工安装，填土采用压路机分层碾压，通过拉筋与填料间的摩擦作用，使得土体的物理和力学性质得到了很大的改善，从而增强了原土体的强度、稳定性和抵御外荷载的能力。由于该结构对地基的适应性强，具有广阔的应用前景。其构造形式如***1所示。
1—对拉钢筋；2—填料土；3—预制混凝土面板；4—条形基础
***1双面加筋土挡墙结构示意***
目前，工程技术人员和科研工作者[1][2]对双面加筋土挡墙的工作机理和土压力分布进行了理论分析和试验研究，取得了一定的研究成果。为深入探讨双面加筋土挡墙对地基土的适应性和推广应用价值，本文从填料土和地基土的物理性质改变对挡土墙土压力的影响进行分析，为该挡土墙结构的进一步优化设计和推广应用提供可靠的理论依据。
1 工程概况
远安至当阳国防公路扩建工程从K5+996.04至K6+076.04为由低到高的填石路堤公路，全长80米，路堤最高11.0m，最低8.0m，平均路堤高度约9.6m，路基宽度为20.0m，双向四车道，沥青混凝土路面，因所占土地为良田，为节约土地资源，经综合分析论证，采用双面加筋土挡墙的结构形式，基础采用现浇C20混凝土基座和7.5#砂浆砌片石基础，两侧墙面板为正六边形板，采用C20钢筋混凝土现场预制。拉筋采用经防锈蚀处理的Ф8~Φ12的HPB235级钢筋。
2 计算模型
双面加筋土挡墙可采用平面应变模型进行二维有限元计算，地基土模型计算深度为10m，计算宽度为2倍的路堤宽度，即40m，取对称结构分析，有限元模拟的几何模型如***2所示。挡土墙的基础、面板及拉筋均采用线弹性模型，其中混凝土面板、基础及填土均采用四结点等参单元，拉筋采用杆单元，填料土和地基土均采用Drucker—Prager准则。为真实地反映土体与混凝土基础、面板及拉筋等材料接触面的力学特性，通过在相互接触界面上设置Goodman无厚度接触单元，采用Mohr-Coulomb准则模拟摩擦滑移特性，反映接触界面上的相对滑动、脱离接触和闭合张开等变形机理，接触面单元为一无厚度的四结点单元，其应力及相对位移关系可表示为：
（1）
式中：、分别为接触面单元的切向和法向刚度系数；、分别为接触面上切向和法向相对位移。
***2 有限元网格***
该扩建工程路段的挡土墙墙后填料为天然砂砾石土，地基土为粉质粘土，根据葛洲坝股份有限公司试验中心提供的试验报告，其物理力学性质指标见表1，接触面单元为一维Goodman单元，其计算参数见表2。面板和条形基础均为混凝土结构，计算参数有弹性模量，泊松比，容重。双面加筋挡土墙结构中的拉筋为HPB235级碳素钢，计算中将拉筋视为线弹性的一维杆单元，假定拉筋只具有抗拉强度，而不考虑其抗压和抗弯性能，在一般情况下，其应力应变关系处在弹性范围内，分析时将其处理为线弹性材料；计算参数中弹性模量取值为。
表1土体物理力学性质指标
土体类型 重度/(KN.m-3) 压缩模量/MPa 泊松比 内摩擦角/(°) 粘聚力/KPa
填料土 19.6 40 0.35 38 28
地基土 18.0 20 0.35 25 15
表2 接触面单元参数
接触面类型
土—拉筋 0 28 0.47 0.65
土—混凝土 0 30 1.0 0.9
3 计算结果分析
***3为面板后水平土压力有限元结果与实测结果、理论计算结果的对比曲线。从***中可知，墙后水平土压力分布与郎肯主动土压力和静止土压力计算结果有较大差异，主要是由于属于柔性结构的挡土墙的变形受到墙后拉筋的限制，引起墙面位移的侧向土压力与拉筋的抗拔阻力处于动态平衡。在墙体上部，其值小于主动土压力，在墙体中下部，其值介于主动土压力和静止土压力之间，最大土压力均位于墙体下部，如在距墙底1.6米处，有限元分析结果及实测值分别为65.6KPa、53.5KPa，而主动土压力和静止土压力值分别为37.3KPa 、60.26KPa。因此，有限元分析结果与现场测试值具有较好的一致性，说明采用有限元分析双面加筋挡土墙结构是可行的。
***3墙后水平土压力沿墙高分布
4 影响因素分析
4.1 地基土对土压力的影响
当，时，地基土的C值分别取10KPa、15KPa、30KPa时，挡土墙的墙背土压力沿墙高分布如***4所示，从***中可以看出，粘聚力C值变化对墙背土压力有一定的影响，在挡土墙的下部，墙背土压力随C值增加而减小，上部正好相反，C值较小对墙背土压力的影响更为明显。
***4 墙背土压力沿墙高分布
当，时，地基土的内摩擦角值分别取、、时，挡土墙的墙背水平土压力沿墙高分布如***5所示，从***中可以看出，地基土内摩擦角变化对挡土墙水平土压力基本没有影响。
***5 墙背土压力沿墙高分布
当，时，改变地基土的变形模量，分析变形模量对挡土墙土压力的影响，计算中可知当地基土的变形模量小于5Mpa时，计算很难收敛，从***6可以看出，地基土变形模量变化时，墙背土压力沿墙高分布规律相同。在软弱地基条件下，挡土墙下部的墙背土压力有一定幅度的增加，如地基土变形模量分别取10Mpa和30Mpa，底部最大水平土压力分别为91.17kpa和72.46kpa，在挡土墙的上部变化趋势正好相反，说明地基土的变形模量对挡土墙的土压力分布有明显的影响。这主要是因为软弱地基的承载力较低，在上部荷载作用下，地基有较大幅度的下沉，下部拉筋在充分发挥其抗拉性能的同时，还有一定程度的弯沉，这与现场实测的挡土墙中部发生侧鼓，变形较大，下部变形较小是一致的。因此，在软弱地基上采用双面加筋挡土墙结构时，需考虑对软弱地基进行处理或工程设计时增加下部拉筋的数量。
***6 地基土变形模量对墙背土压力分布的影响
4.2 填料土对土压力的影响
改变填料土的粘聚力C值或改变填料土的内摩擦角值，其他参数保持不变，有限元计算结果表明，填料土的粘聚力C值或内摩擦角值变化对挡土墙的墙背土压力没有影响。当填料土，时，填料土的变形模量对挡土墙的墙背土压力的影响如***7所示，从***中可以看出，填料土的变形模量对墙背土压力的大小有一定的影响，随着变形模量的增加，墙背水平土压力逐渐减小，主要是由于填料土变形模量较小时，挡土墙在上部荷载作用下，拉筋承受着纵向拉力和竖向填土压力的共同作用，致使上部荷载通过拉筋重新分配，拉筋主要通过抗拉性能发挥其加筋效果。
***7 填料土变形模量对墙背土压力分布的影响
5 主要结论
通过对双面加筋土挡墙的土压力进行有限元分析，可得出以下结论：
（1）地基土的粘聚力C对挡土墙墙背土压力有一定程度的影响，C值较小时影响更为明显，地基土内摩擦角变化对挡土墙水平土压力基本没有影响。地基土的变形模量变化对挡土墙的墙背土压力影响比较显著，挡土墙下部的墙背土压力随变形模量的减小而增加。
（2）在软弱地基上采用双面加筋挡土墙结构，需考虑对软弱地基进行处理或工程设计时增加下部拉筋的数量。以保证挡土墙结构安全可靠。
（3）填料土的粘聚力C和内摩擦角值变化对挡土墙的墙背水平土压力大小没有影响，但填料土的变形模量对墙背水平土压力的影响较为明显，墙背水平土压力随变形模量的增加而逐渐减小。
(3) 双面加筋挡土墙不同于一般重力式挡土墙，通过对不同土性双面加筋土挡墙结构土压力影响的有限元分析，结果表明，该结构可进一步推广应用于多种工况条件下的高填方路堤工程中。
参考文献
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