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加筋土挡墙具有施工简便、经济效益好、适应能力强、抗震性能好等优点被广泛应用于工程实践中。随着人们对加筋土挡墙高度需求的不断增加,台阶式加筋土挡墙成为一种更为有效的结构形式,被广泛应用在加筋土工程中。在进行加筋土挡墙的设计时,由于地形地貌的原因,加筋土挡墙会出现一些拐角部位,在这些拐角部位的加筋土挡墙,其墙体形态、布筋方式以及边界条件等与直线型挡墙不同,呈“不规则”状。国内关于不规则加筋土挡墙的规范还较为缺乏,也未体现该部位的特殊性,这就导致了设计时过于保守或不够安全,不能充分发挥加筋土挡墙经济安全的优势。
本文以基金项目为依托,利用有限差分软件FLAC3D建立不规则状直立式和台阶式加筋土挡墙的三维数值模型,对直立式和台阶式加筋土挡墙变形特征的异同点及台阶式加筋土挡墙拐角部位和直线部位变形特征的异同点进行分析研究,并从减小变形提高挡墙安全性的角度出发,分析填料的选择、筋带的布置、平台宽度、台阶级数等因素对不规则状台阶式加筋土挡墙变形特征的影响从而指导实际工程,得到以下结论:
(1)不规则状加筋土挡墙墙面顶部水平变形在拐角部位由垂直墙面和平行墙面两部分组成,直线部位只有垂直墙面的变形,这与直线型挡墙变形情况一致;挡墙在墙顶拐角部位变形最大,台阶的出现使拐角线水平变形出现分段现象,挡墙拐角部位变形量减小,与直线部位变形量差异减小,拐角部位“鼓肚”现象减弱,挡墙安全性提高。
(2)台阶的出现减小了土工格栅拉应力值的大小,也改变了土工格栅拉应力的分布规律:直立式挡墙拐角线土工格栅最大拉应力在墙高中下部出现较大现象,在墙高中上部由拐角部位向直线部位延伸出现过渡范围;台阶式加筋土挡墙在各级挡墙墙高中下部均出现较大现象,并且在各级挡墙墙高中上部均出现过渡范围。不规则状加筋土挡墙顶部土工格栅最大拉应力在拐角部位呈“X”型,直线部位格栅最大拉应力与直线型挡墙分布规律一致。
(3)直立式和台阶式加筋土挡墙潜在破裂面的位置和形状均不同:挡墙由墙底到墙顶,直立式挡墙潜在破裂面呈连续状态,台阶式挡墙潜在破裂面在墙高中上部向墙面剪出,形成相对独立的破裂面;台阶式挡墙潜在破裂面位置比直立式挡墙更深;台阶式加筋土挡墙各层土工格栅最大拉应力值比直立式挡墙小,整体变化范围小,格栅破坏程度小,挡墙安全性高。
(4)台阶式加筋土挡墙拐角部位和直线部位的潜在破裂面的形状相似,都接近于对数螺旋线破裂面,不同于设计规范中推荐的“0.3H”型和朗肯破裂面,与极限平衡理论计算出的简化潜在破裂面比较接近;潜在破裂面的位置在拐角部位比在直线部位更深;台阶式加筋土挡墙拐角部位比直线部位的土工格栅最大拉应力值小,但分布规律基本相同。
(5)在影响不规则状台阶式加筋土挡墙变形特征的因素中,台阶级数、填料的选择、平台的宽度、筋材的竖向间距对挡墙的变形特征都有明显影响,只有筋材长度对挡墙变形特征基本没有影响。根据本文的研究,为了优化挡墙设计,减小挡墙变形而提高其稳定性,一般选择粘聚力大于20kPa,内摩擦角大于30°的填料;在筋材的布置方面,竖向间距以0.4m~0.5m最佳,长度采用0.7H(H为挡墙墙高)13m,台阶级数设置为三级,平台宽度设计成3m~4m即可。
本文以基金项目为依托,利用有限差分软件FLAC3D建立不规则状直立式和台阶式加筋土挡墙的三维数值模型,对直立式和台阶式加筋土挡墙变形特征的异同点及台阶式加筋土挡墙拐角部位和直线部位变形特征的异同点进行分析研究,并从减小变形提高挡墙安全性的角度出发,分析填料的选择、筋带的布置、平台宽度、台阶级数等因素对不规则状台阶式加筋土挡墙变形特征的影响从而指导实际工程,得到以下结论:
(1)不规则状加筋土挡墙墙面顶部水平变形在拐角部位由垂直墙面和平行墙面两部分组成,直线部位只有垂直墙面的变形,这与直线型挡墙变形情况一致;挡墙在墙顶拐角部位变形最大,台阶的出现使拐角线水平变形出现分段现象,挡墙拐角部位变形量减小,与直线部位变形量差异减小,拐角部位“鼓肚”现象减弱,挡墙安全性提高。
(2)台阶的出现减小了土工格栅拉应力值的大小,也改变了土工格栅拉应力的分布规律:直立式挡墙拐角线土工格栅最大拉应力在墙高中下部出现较大现象,在墙高中上部由拐角部位向直线部位延伸出现过渡范围;台阶式加筋土挡墙在各级挡墙墙高中下部均出现较大现象,并且在各级挡墙墙高中上部均出现过渡范围。不规则状加筋土挡墙顶部土工格栅最大拉应力在拐角部位呈“X”型,直线部位格栅最大拉应力与直线型挡墙分布规律一致。
(3)直立式和台阶式加筋土挡墙潜在破裂面的位置和形状均不同:挡墙由墙底到墙顶,直立式挡墙潜在破裂面呈连续状态,台阶式挡墙潜在破裂面在墙高中上部向墙面剪出,形成相对独立的破裂面;台阶式挡墙潜在破裂面位置比直立式挡墙更深;台阶式加筋土挡墙各层土工格栅最大拉应力值比直立式挡墙小,整体变化范围小,格栅破坏程度小,挡墙安全性高。
(4)台阶式加筋土挡墙拐角部位和直线部位的潜在破裂面的形状相似,都接近于对数螺旋线破裂面,不同于设计规范中推荐的“0.3H”型和朗肯破裂面,与极限平衡理论计算出的简化潜在破裂面比较接近;潜在破裂面的位置在拐角部位比在直线部位更深;台阶式加筋土挡墙拐角部位比直线部位的土工格栅最大拉应力值小,但分布规律基本相同。
(5)在影响不规则状台阶式加筋土挡墙变形特征的因素中,台阶级数、填料的选择、平台的宽度、筋材的竖向间距对挡墙的变形特征都有明显影响,只有筋材长度对挡墙变形特征基本没有影响。根据本文的研究,为了优化挡墙设计,减小挡墙变形而提高其稳定性,一般选择粘聚力大于20kPa,内摩擦角大于30°的填料;在筋材的布置方面,竖向间距以0.4m~0.5m最佳,长度采用0.7H(H为挡墙墙高)13m,台阶级数设置为三级,平台宽度设计成3m~4m即可。