土工合成材料加筋土挡墙设计方法的研究

摘要: 在分析了土工合成材料加筋土挡墙破坏形态的基础上, 总结归纳了国内外有关土工合成材料加筋土挡墙极限平衡法、极限状态法和有限单元法三种设计方法的发展及研究现状, 提出了该结构的设计发展方向。

关键词: 土工合成材料 加筋土挡土墙 设计 破坏

中图分类号：TU476+.4文献标识码： A 文章编号：

1 挡墙的破坏形式

土工合成材料加筋土挡墙的破坏形式主要有三类: ①外部稳定性破坏; ②内部稳定性破坏; ③加筋土挡墙的变形破坏。目前国内外加筋土挡墙的设计主要是基于①、②进行稳定性验算的。

外部破坏一般表现为结构的整体失稳、倾覆等, 其力学行为与重力式挡墙相似, 破坏的主要表现形式有平面滑动、倾覆破坏、地基破坏和深层滑移。内部破坏发生在加筋土体的内部, 主要表现为拉筋材料的拉断破坏、拔出破坏以及由于拉筋和面板连接处的局部应力超过构件的构造强度发生的连接件破坏。变形破坏是指加筋土结构虽未发生整体失稳, 但由于其变形过大而丧失正常的使用功能, 主要包括加筋土挡墙墙面的过大变形和地基的沉降破坏两种形式。在实际工程中, 加筋土支挡结构的破坏往往表现为综合性的破坏,各种破坏形式互相交叉、互相转化。

2 设计方法概述

土工合成材料加筋土挡墙的设计方法很多, 但可归纳为极限平衡法、极限状态法和有限单元法三种。极限平衡法和极限状态法是用于分析加筋土挡墙极限破坏时的稳定安全系数, 有限元法则用于分析加筋土挡墙在工作应力状态和极限破坏状态时拉筋材料的拉力分布与土体变形情况。一个完整的加筋土挡墙的设计分析应包含极限平衡分析、工作应力状态分析及墙体变形量的估算等内容。

2．1极限平衡法

目前, 土工合成材料加筋土挡墙的设计方法普遍采用极限平衡分析方法。该方法是对加筋土挡墙进行稳定性验算, 即分析计算墙体整体结构内、外部稳定破坏所需的拉筋材料强度及应力分配。外部稳定性设计分析是将加筋土体视为具较高强度的复合土体, 再依据传统重力式挡土墙外部稳定性设计分析方法进行计算。内部稳定性设计分析是以锚固楔体法为基础的设计方法, 先假设侧向土压力分布状况, 再计算不同深度处平衡该侧向土压力所需的拉筋材料的强度及应力分配。

德国建筑研究所的DIBt ( Deutches Institutefur Bautechnik) 设计方法已在欧洲广泛使用, 并流行到其它地方。该方法基于锚固楔体法, 但其又有自身的特点。加筋土体墙背侧向土压力设计采用库仑土压力理论, 土体强度采用有效内摩擦角, 基础承载力则采用Meyerhof 分布形式。计算时考虑了改进的太沙基承载力公式, 且考虑由主动土压力产生的合力偏斜作用。内部稳定型分析采用双楔体法, 先估计拉筋的布置, 只着重考虑拉筋的拔出破坏, 采用的破裂面是折线型的,假设滑动面上部沿加筋体边缘且在墙面的不同高度

处, 每隔3°即有一个计算面。此外还有两种特殊的面,在两层拉筋之间而不与拉筋相交的面以及滑动面为拉筋面, 见图1、图2。按照以上各个不同的计算面来验算拉筋的拔出稳定性, 从而确定拉筋的布置。

极限平衡法简单、易行, 所以设计单位多采用该方法。但是由于极限平衡法需要对拉筋、土体、滑动面做出许多假定, 加上人为隔离强度与变形, 与实际情况差异较大, 导致极限平衡法计算结果精度较差, 只能将极限平衡法看作半经验半理论的方法。因此, 通过积累工程经验和进行试验研究、理论分析, 对极限平衡法进行合理的修正, 使其更接近工程实际。

2．2 极限状态法

在极限平衡设计方法中, 直接以土的峰值强度( 或残余强度) 为指标, 给定一个保证结构不发生破坏的总体安全系数, 没有或很少考虑结构的变形。而对于广泛应用的土工合成材料加筋土挡墙来说, 如果在设计中不考虑其变形, 显然是不合理的。

极限状态法自20 世纪80 年代在结构工程中开始使用, 90 年代在岩土工程得到应用。在极限状态法中, 一个特点是同时考虑强度和变形, 即临界极限状态ULS( ultimate limit state) 承受静载荷与活载和功能极限状态SLS( serviceability limit state) 。另一个特点是引入风险系数( 即分项安全系数) 来代替整体安全系数。对基于极限状态设计方法的土工合成材料加筋土挡墙来说, 一是可以考虑不同极限状态下的各种材料之间的应变兼容性, 同时还可以考虑内外部环境对材料耐久性的影响。

随着土工合成材料在加筋土结构中的应用和发展, 其特殊张拉应变特性要求设计上将加筋土结构的边界变形及内部应变协调性直接( 而不再是间接) 作为设计准则来控制和评价结构设计。极限状态设计法的设计思想因此应运而生, 其核心是引入了临界极限状

态分析、功能极限状态分析以及分项修正系数PF( Partial Factors) 的概念。规范BS8006(1995)/FHWA(1997)/AASHTO(1997)/NCMA(1997)等部分采用了极限状态法的思想或在不同程度上已初步解释了极限状态设计法以及分项修正系数的概念。按照BS8006, 对平面状或条带状拉筋材料的加筋土挡墙来说, 其设计方法分为锚固楔体法与粘结重力式法( Coherent Gravity) , 采用的方法与拉筋材料的延伸性有关。BS8006 规定在所有设计情况下, 分项安全系数在考虑完全破坏的极限状态下其值应> 1.0, 若改为功能极限状态, 则其值为1.0; 设计荷载则由土体及拉筋材料的复合性质来提供阻抗能力, 土体强度乘以分项安全系数则为设计强度。拉筋材料若为金属时, 其设计强度

仅需将材料极限抗拉强度除以分项安全系数即得; 至于土工合成材料拉筋, 则需将拉伸蠕变断裂强度与拉伸蠕变应变控制强度分别除以分项安全系数后, 取最小者为设计强度。

2.3 有限元分析方法

土工合成材料加筋土挡墙的有限元分析是一个十分复杂的问题, 涉及到填料、拉筋、地基以及拉筋与填料和拉筋与地基的相互作用等因素。土工合成材料加筋土挡墙的数值计算方法主要分为三类: ①将拉筋单元与土单元分开考虑, 拉筋单元与土体单元之间设接触面单元; ②拉筋与土体合成为一体, 作为复合材料考虑;③将拉筋作为外荷载考虑, 直接作用在土体单元上(仅土体单元)。与极限平衡法相比, 有限元分析的优越性是将加筋土挡墙的变形协调和应力平衡结合在一起, 克服了传统的极限平衡法将两者完全分开的局限。该方法不仅能计算出土体中各点的位移、应力、应变和应力水平, 提供受荷后土体与拉筋的应力场和位移场,还能在计算中考虑土体的非均质和非线性、土体与拉筋随时间的变化、施工程序和荷载变化情况, 而且还可以模拟某些复杂性质和过程。这些都弥补了极限平衡法的不足, 但是由于有限元法的参数需要进行复杂的试验来确定, 加上难以对破坏进行定量的判断, 限制了有限元法在实际工程中的应用。

3 结语

目前, 我国有关土工合成材料的应用技术规范都对土工合成材料加筋土挡墙的设计理论进行了阐述,均基于极限平衡法中的粘结重力式理论即锚固楔体法。由于土工合成材料本身的特殊性质以及加筋土作用机理的复杂性, 所采用的设计理论和规范只能解释土工合成材料加筋土挡墙结构的稳定性问题。而极限平衡法忽略了拉筋的变形、不同部位的相互作用以及挡土墙施工过程、演化与形态形成等问题, 在这些过程中极限平衡理论分析的只是一种单一的状态, 其变形控制一般是以防止内部或外部稳定破坏的安全系数来保证其在极限范围内。随着山岭区建设以及新建铁路、公路上跨既有线路, 使得挡墙高度增大, 尽管可以通过设置台阶式挡土墙来解决, 但会使土工合成材料加筋挡墙设计的复杂性和难度增加。因土工合成材料加筋土高挡墙的过大水平变形而导致墙体失稳的事故国内外均有发生, 在达到极限平衡状态之前, 土工合成材料加筋土挡墙有一个变形的发展和积累的过程, 这个变形发展过程中潜伏着强度破坏因素的积累, 因此, 变形问题有时会起着控制作用, 在设计中应予以考虑并进行适当控制。