加筋土挡土墙失稳特征及内因研究

加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的一种支档结构物，加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土，它利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能，从而达到稳定土体的目的，加筋土挡土墙一般适用于地形较为平坦且宽敞的填方路段。本论文以失稳的G104界河立交桥加筋土挡土墙为具体研究对象，通过数值模拟计算和理论研究分析不同动载荷作用下加筋土挡土墙的失稳特征以及失稳的内在原因。

1.工程背景

山东省G104界河立交桥位于山东省滕州市境内，该桥建成于1990年10月，立交桥两端接线采用加筋土挡土墙技术构建。南北两端引桥宽14m，引桥北端长256m，平均坡度1：27；引桥南端长372m，平均坡度1：37，引桥最高处达12.81m。在建成初期，加筋土挡土墙即出现轻微的墙体外鼓现象，从1997年起，墙体外鼓现象逐渐加剧，至2000年6月，最大相对位移量达100mm，绝对值超过200mm，路面局部发生纵向开裂，两侧护栏内倾，顶部面板局部脱落，墙体出现失稳征兆，并有进一步加剧的趋势。

2.计算模型及相关参数

本文重点研究不同动载荷对挡土墙的影响，以及动载荷作用下挡土墙的破坏机理。加筋土挡土墙的计算模型宽26m，其中包括14m的快车道和两侧各宽6m的慢车道，挡土墙的高度按剖面的最高高度选取为12m，对应的计算模型高度为17m，图1给出了挡土墙的计算简图。钢带采用3号钢，间距0.5m。

本文研究中动载荷按两种极端情况考虑：

（1）对称动载荷：4辆30吨载重汽车平行同时作用在计算剖面上，载荷集度为40kN/m；

（2）非对称动载荷：路面一侧有2辆30吨载重车并行同时作用在计算剖面上，载荷集度为40kN/m。

动载荷频率30Hz，动载荷系数为1.5，动载荷在单位剖面上作用时间为0.13s，动载波形成正弦波，图2给出了路面模拟动载荷变化频谱特性曲线。

本研究运用美国明尼苏达大学和美国Itasca Consulting Group Inc.开发的二维有限差分计算程序FLAC2D （Fast Lagrangian Analysis of Continua）进行计算，挡土墙填土按照莫尔-库伦准则考虑。

现场地质调查表明，加筋土挡土墙内填土主要有混砂亚粘土和粉质砂土组成，根据现场取样的土力学实验结果，加固前填土的力学参数见表1。

3.加筋土挡土墙失稳特征及失稳原因分析

（1）通过数值模拟计算结果，可以得出对称动载荷作用下挡土墙的变形以及破坏特征：

（a）墙体受力变形是一个时间和空间过程，载荷传递是由上向下传递，由于墙体不是理想状态下的弹性体，随着时间增加墙面变形逐步积累，同时向墙体中下部扩展。对称动载荷作用下，墙面的水平变形特征是墙体中上部大于下部（图3-图4）。当动载荷作用结束后，由于墙体内部可能发生瞬间失稳，在墙趾2-4m处墙面出现水平变形增加的现象。

（b）墙面变形特征与墙体内部受力状态有本质上的联系。在动载荷作用下墙体上部呈拉裂破坏，墙面变形是拉破裂区在侧向分离造成的结果；在墙体中部，墙面变形由中心拉破裂变形和墙体边缘塑性变形叠加而成；在墙趾处，墙面变形是墙体内部共轭剪切破坏带的剪切滑移而造成，但此处变形由于受基础的约束一般不易出现（图5）。

（2）通过数值模拟计算结果，可以得出非对称动载荷作用挡土墙的变形以及破坏特征：

（a）在非对称载荷作用下，挡土墙变形的最主要特征是墙体向受载荷一侧倾斜变形加剧，非受载荷侧墙体也出现少量水平移动，同时在墙体上部出现位移场“倒转”现象，路面向上略微翘起，现场观察到的护栏内倾即由此而引起（图6）。

（b）在非对称动载荷作用下，挡土墙主要在墙趾处出现了剪切破坏，载荷作用的一侧破坏范围明显大于没有载荷的一侧，挡土墙在非对称载荷作用下会出现墙体外倾现象（图7）。

（3）影响挡土墙稳定的主要因素是路面动载荷作用。动载荷特征一般表现为作用时间短，频率高，载荷增加梯度大。加筋土挡土墙的加筋材料为增阻迟缓的柔塑性体，在动载荷作用下增阻速度滞后，不能及时提供阻力以抵御动载荷对土体的破坏作用。在许多情况下，拉筋失效并非本身强度不够，而是增阻速度不及动载增力的速度，导致土体变形超限而破坏。

（4）从加筋土挡土墙变形和破坏形态看，由于本身的结构缺陷，本身即存在初始塑性变形区，在动载荷作用下极易诱发原有塑性区进一步扩大和发展。随着时间积累以及变形结果叠加，势必造成加筋土挡土墙内部出现整体和永久性的变形与破坏。

正是由于挡土墙墙体本身存在上述缺陷，在釉睾勺饔孟拢墙体一旦发生破坏就是大规模的，因此，对失稳加筋土挡土墙的加固必须是整体性的，既要考虑控制破坏变形强制措施，又要考虑增加土体强度。

参考文献：

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