孙建诚 ，李风立 （河北工业大学，天津 300401）

生态袋加筋挡墙工作机理分析

孙建诚 ，李风立 （河北工业大学，天津 300401）

由于生态袋挡墙结构具有很好的经济性能和使用性能，近年来在工程实践中倍受青睐，并具有了不少工程实际的经验，但是其科学研究方面却比较欠缺不能为工程实践提供很好的理论依据。基于这种情况，为得到合理的生态袋加筋挡墙形式设计组装室内生态袋加筋挡墙顶推实验装置，采用PlaxisV8专业版有限元软件建立了生态袋加筋挡土墙模型并对模型进行了静力加载数值模拟计算；对模型进行了静力加载数值模拟，并研究了加筋土挡土墙在自重及荷载作用下的垂直应力、水平应力分布情况，以及对各层筋材轴力、墙面体水平位移进行了相关分析。

生态袋；加筋挡墙；有限元；力学性能

0 前言

生态袋加筋挡墙是一种新兴起的支挡体系，它具有环保生态型和结构柔性的特性，因此在工程实际中得到认可和应用，但是在工程实施的过程中仍然是按照传统加筋挡墙的理论进行指导实施的，这是因为生态袋加筋挡墙的理论研究还有所欠缺还不能真正的指导工程实践。本文通过建立室内的顶推实验装置，对生态袋墙面体结构进行了受力分析与研究，得到了其墙面体在水平推力作用下所产生的形变特征与规律，这为生态袋挡墙设计理论的研究提供了参考的实验数据，也为生态挡墙的施工技术体系提供了理论依据。

1 本构模型

本文中应用的是Plaxis岩土有限元计算程序，其对Mohr-Coulomb模型中的相关塑性理论导致的过高估计剪胀作用进行了合理的处理，Mohr-Coulomb模型本身就能够得到较合理的计算结果Plaxis有限元程序中包含了Mohr-Coulomb模型所以Plaxis得到的结果更值得信赖。Mohr-Coulomb屈服准则在三维应力空间中是一个不连续函数，它在主应力空间中由6个屈服函数构成[1]。

Plaxis有限元软件中的土工格栅单元的格栅材料是一种在纵向受力方面只可受拉不可受压的，在横向受力方面是不具有抗弯刚度的柔性材料。因此，可以认为土工格栅单元的本构关系是只能沿轴向变形的一维单元线弹性单元[2]。

2 墙面体水平位移分析

之所以叫做生态袋加筋挡墙是因为其外墙是由生态袋堆砌而成，因此其结构属于柔性结构[4]，柔性结构在外力的作用下会产生相对较大的侧向位移。加筋挡墙在不同荷载条件下的水平位移如图1所示。

图1 生态袋加筋挡墙墙面在不同荷载作用下的水平位移

由图1可以得到：

在不受荷载的条件下，挡墙由于自重的作用已经具有了水平位移，可以看出1.5m处为分界点，以上趋于竖直状态，以下出现位移。

水平位移随着荷载的增大而增加，最大位移位置随荷载的增加而沿墙体上移。

由图可知，当载荷为120kN/m2时墙面出现最大位移，即墙体的水平位移有一个最大值，不是随荷载线形增加的。

分析2m截面处的竖直位移增量的情况，可得150kN/m2荷载时较120kN/m2荷载时竖直位移增加明显增加斜率变小，综合水平位移的变化规律可知荷载由120kN/m2增至150kN/m2的过程是以竖直位移变化为主导的，竖直位移变大土体自然沉降变大使得土体背离墙面滑动，这也就是在加载120kN/m2时墙体的水平位移值到达最大值的原因。

由以上分析可知，荷载的增加使得墙面的水平位移增大，这很可能造成墙体的失稳从而影响挡墙的正常使用。

3 土压力分析

生态袋加筋挡墙由于其结构上的特殊性，相比于普通的挡土墙，其受力特点和特征具有差异性和独特性，土压力的分布又直接影响结构稳定性计算的准确性，所以对挡墙进行土压力分析是很有必要的。

为挡土墙墙后土体在不受荷载作用下的垂直应力等值线图可以看出沿格栅长度方向垂直应力与长度为非线性关系，在墙体上部垂直应力呈现双峰趋势，在格栅末端及其他层面呈现单峰特征。加筋土部分土体的垂直应力分布在竖直方向上呈现非线性增长趋势，在随着远离墙面板时非线性趋势减弱其原因在于大的水平位移使垂直应力在一定的范围内消散。

从挡墙在不受荷载的作用下水平应力的分布特点可得实际土压力呈非线性分布且远大于理论朗肯土压力，在墙体下侧出现波动这是由于挡墙的柔性特征改变了加筋结构土体水平应力的分布，生态袋侧面方向上的变形使得水平应力消散，作用范围可达墙面板后2.5m处。

图2 工序3水平应力沿土工格栅方向的分布图

由图2可以看出，水平应力沿土工格栅方向的分布在距墙底6m的位置有逐渐增大的趋势，在6.8m处有逐渐减小的趋势，随着距离的增加只在末端有明显的减小其他地方呈现逐步平稳的趋势，分析原因可知是生态袋侧面方向上的变形使得水平应力消散，格栅末端应力锐减是加筋土体受墙后土体作用而产生倾覆力矩而导致的。

4 格栅轴力分析

如图3、4为8.4m、8.8m层位在不同荷载作用下轴力变化的曲线。

由图3可知：

①荷载的增加使得中间层位格栅轴力变化较大并且荷载增大导致轴力最大值远离墙背。

②在不受荷载作用时轴力分布呈单峰曲线状。当荷载由10kN增至50kN时呈双峰分布，当荷载大于50kN时，又呈单峰分布。

③荷载的增加导致加筋筋材末端0.8m处出现轴力减小的现象，这是在荷载作用下使得墙后未加筋土体水平作用力较大，从而增大筋材末端轴力，当作用力减小时，筋材轴力也随之减小。

图3 8.4m处土工格栅

图4 8.8m处土工格栅

由图4可知，8.8m层位处在整个过程中轴力均呈单峰分布，并且轴力随荷载增大而向格栅中部靠近，当荷载到达一定数值后又有背离墙被的趋势。

5 结论

运用PLAXIS有限元软件，建立生态袋加筋挡土墙模型，通过对结果的分析得到如下结论。

①随着荷载的增加，墙面出现“鼓肚”现象，随荷载加而发展，生态袋加筋土挡墙虽未发生整体失稳但挡土墙发生变形破坏。

②生态袋加筋挡墙因其墙面的柔性及允许较大的变形的特性，给墙后土体的土压力分布情况带来了很大的影响，挡墙墙后靠近墙面体的土体垂直应力和水平应力均发生减小，侧向变形对应力消散作用的作用范围为2.5m。

③墙高度方向分为上、中、下三部分，上、下两部分加筋筋材轴力沿格栅长度向呈单峰分布，中间部分加筋筋材轴力沿格栅长度向呈双峰分布，但随着荷载的增加双峰分布会向单峰分布变化，最后趋于一致。

[1]王玮晶.土工格栅及生态袋在生态护坡中的应用[J].水利科技与经济，2011，17(7)：97-98.

[2]陈华.土工格栅加筋土挡墙力学特性试验研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2010.

[3]周世良，何光春，汪承志，等.台阶式加筋土挡墙模型试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(1)：152-156.

[4]但礼堂，史宏彦，张建龙.某河道护岸工程加筋土挡墙的原型观测[J].建筑技术开发，2004，31(12)：39-41.

TU432

A

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.037