废旧轮胎挡土墙与传统挡土墙稳定性能对比研究

2021-09-22姚宝宽王丽艳谢红梅巩文雪

地基处理 2021年4期

姚宝宽，王丽艳，谢红梅，巩文雪

（1. 江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏镇江 212001；2. 江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212003；3. 江苏筑森建筑设计有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

目前废旧轮胎作为建筑材料已广泛投入到建筑工程中使用，对于轮胎及轮胎颗粒混合材料的力学性能研究也十分丰富。张广泰等[1]进行了单轴受压试验和极限承载试验，研究了叠层废旧轮胎隔振垫在不同尺寸及设计压力下的单轴受压性能和竖向力学性能。Yoon等[2-3]采用平板荷载试验研究废旧轮胎垫相对密度、嵌入深度和轮胎类型等多种因素对砂土加固作用的影响以及在不同组合形式和各种条件下的增强效果；Kim等[4]进行现场拉拔试验分析了有效锚固长度、轮胎数量等对轮胎拉拔性能的影响；李朝晖等[5]采用专门设计的环刀击石设备对比研究了轮胎颗粒-黄土混合料的压实性能，并给出不同混合料击实指标的建议值；李丽华等[6-8]采用室内模型试验研究了废旧轮胎加筋对土体强度以及边坡稳定的影响，发现废旧轮胎加筋明显，可显著改善路堤沉降，同时对比分析了与土工格室加筋机理的异同，为废旧轮胎加筋土的应用提供理论基础，并分析废旧轮胎加筋机理，给出了关于废旧轮胎加筋地基承载力的计算方法。LaRocque等[9]进行直剪试验研究了轮胎捆的加固作用。

现阶段对废旧轮胎挡墙的有关研究成果甚少。黄留新和王丽艳等[10]采用FLAC3D数值模拟建立了废旧轮胎挡土墙模型，研究了废旧轮胎尺寸对挡土墙水平变形的影响。Garga和O’Shaughnessy两位学者[11]首次研究了废旧轮胎挡墙，采用约10 000只整轮胎建立了一个4 m高的轮胎挡土墙开展现场测试，进行了无黏性土和黏性土回填轮胎的工况的研究。Retterer[12]给出了各种废旧轮胎挡墙类型及其设计方法，马源[13]运用二维数值计算对废旧轮胎胎面重力式挡墙进行研究（以Retterer给出的“梯形”墙型为主要研究对象），为数值模拟提供参数依据。李春强等[14]采用 Plaxis有限元数值分析软件模拟计算了废旧轮胎复合单元体挡土墙的最大水平、垂直位移并对最大位移的各影响因素进行敏感性分析，给出工程应用上的建议。

挡墙结构在工程实际中广泛应用，主要应用于工程领域，随着时代发展，挡墙结构形式逐渐丰富化，重力式挡墙、悬臂式挡墙和面板式土工格栅加筋土挡墙是工程实践中最为常见的三种挡墙结构。为研究废旧轮胎挡墙的工程优势，揭示废旧轮胎挡土墙稳定性能。本论文对比分析废旧轮胎挡墙和以上三种传统挡墙的变形与墙背受力特性。

1 数值模型建立

选取轮胎型号为 10R22.5，轮胎直径 D为1.04 m，废旧轮胎断面宽度t为0.26 m。经多次试算，划定挡土墙的数值模拟边界范围，取轮胎墙的纵向计算长度8 D较为合理；同理，取墙面向前距离10 D和地基深度向下距离6 D处作为墙前地基计算边界。不同的是墙宽尺寸，选取性能较好的重力式挡土墙和经济型的悬臂挡土墙进行对比研究。

为了对比，四类挡墙的高度H均为4.68 m，重力式挡墙墙体的平均宽度与废旧轮胎挡土墙的保持一致，取为1.04 m。根据规范中的规定[15]，重力式挡墙的混凝土墙顶宽度必须大于 0.4 m，取墙顶宽度B0为0.58 m，则取墙底宽度B3为1.5 m；取基础埋置深度最小值1.0 m，基础宽度为3.0 m，厚度为1 m。查阅相关规定[15]，悬臂式挡墙墙顶宽度B0取规定宽度最小值为0.2 m；基础埋置深度为1 m，基础宽度为3.0 m，厚度为1 m。土工格栅铺设在悬臂式挡墙墙后回填料中，悬臂式挡墙和土工格栅结合共同形成面板式土工格栅加筋挡土墙。为了比较，取面板式土工格栅加筋挡土墙墙顶宽度 B0为0.2 m。土工格栅的加筋长度为0.7 H，竖向加筋间距为2 t。

四类挡墙墙长均为8.32 m，墙前地基宽度B1为10.4 m，墙后回填料宽度B2为20.8 m，地基深度H1为6.24 m。

四种挡墙结构示意图分别如图1～4。

图1 废旧轮胎挡墙结构示意图Fig. 1 Structural diagram of waste tire retaining wall

图2为重力式挡墙结构示意图，图3为悬臂式挡墙结构示意图。

图2 重力式挡墙结构示意图Fig. 2 Structural diagram of gravity retaining wall

图3 悬臂式挡墙结构示意图Fig. 3 Structural diagram of cantilever retaining wall

除废旧轮胎挡墙外，其余三种挡墙的墙面均为混凝土面板。查阅工程项目资料及相关文献，取墙面板体积模量为49.4 MPa，剪切模量为21.9 MPa，密度为1 900 kg/m3，黏聚力为10 kPa，内摩擦角为40°，抗拉强度为138 kPa。轮胎内回填料与轮胎墙后的回填料材料相同且均采用砂类土[15]。取回填料体积模量为23.8 MPa，剪切模量为16.3 MPa，密度为1 850 kg/m3，内摩擦角为35°，抗拉强度为1 kPa。

四类挡墙所用混凝土材料、地基和墙后回填料相同。根据《地基与基础》确定基础与地基参数取值[16]，基础的材料参数取体积模量为15.2 GPa，剪切模量为112.8 GPa，密度为2 385 kg/m3。地基材料参数取体积模量为 49.4 MPa，剪切模量为32.5 MPa，密度为2 400 kg/m3，黏聚力为3.5 kPa，内摩擦角为37°，抗拉强度为5.6 kPa。

根据相关文献选取轮胎参数[17]。轮胎体积模量取为1.96 GPa，剪切模量取为0.75 GPa，密度为1 250 kg/m3，厚度为20 mm。

图4 面板式土工格栅加筋土挡墙结构示意图Fig. 4 Structural diagram of panel geogrid reinforced soil retaining wall

参考相关文献和相关工程项目资料，结合FLAC3D用户手册以确定轮胎与回填料、地基与地基之间的接触参数[18-19]。轮胎与回填料的接触面刚度为 4.55×104kN/m，摩擦角为 29°，黏聚力为 8 kPa，基础与地基接触面刚度为9.27×104kN/m，摩擦角为29.6°，黏聚力为28 kPa。

根据相关的工程项目以查阅文献[20]，选取土工格栅的材料参数，取弹性模量为20 GPa，泊松比为0.33，切向刚度为4×104kN/m，摩擦角为30°，黏聚力为2.4 kPa，密度为650 kg/m3，厚度为2 mm。

分析四种挡墙在静力作用下的稳定性能，四种挡墙边界条件相同，固定模型四周和底部，仅在模型上部施加均匀外荷载。

2 稳定性能对比分析

2.1 水平变形

外荷载q=70 kPa时，如图5为四种挡墙的水平变形云图。重力式挡墙的水平变形均在墙面均匀分布，挡墙整体产生变形，这与面板式土工格栅加筋土挡墙水平变形分布是一致的，而另外两类挡墙的水平变形分布均沿墙高逐渐增大，较大水平变形发生在挡墙上半部分。

图5 不同挡墙的水平变形云图Fig. 5 Contours of horizontal deformation of different retaining walls

当q=70 kPa时，四种挡墙的水平变形分布曲线如图 6。在同一水平高度处，悬臂式挡墙的水平变形最大，废旧轮胎挡墙次之，重力式挡墙有最小水平变形；重力式挡墙和土工格栅面板式挡墙的水平变形沿墙高呈线性增加；废旧轮胎挡墙水平变形反之。悬臂式挡墙的水平变形最大，水平变形沿墙高呈不断增大的趋势。

图6 四种挡墙的水平变形曲线Fig. 6 Curves of horizontal deformation of four retaining walls

最大水平变形由小到大依次为：重力式挡墙、土工格栅加筋土面板式挡墙、废旧轮胎挡墙、悬臂式挡墙，对应的最大水平变形分别为0.11、0.2、1.82、3.70 cm。在静力条件下，上述挡墙抵抗水平变形依次变差。

2.2 竖向沉降

四种挡墙在外荷载为 70 kPa时的竖向沉降云图如图7。

图7 四种挡墙竖向沉降云图Fig. 7 Contours of vertical settlement of four retaining walls

废旧轮胎挡墙墙后回填料较大竖向沉降发生在靠近墙面处，竖向沉降在距墙面较远处较小，这与悬臂式挡墙墙后回填料竖向沉降的变化是一致的；其余两种挡墙随距墙面距离的增大，墙后回填料的竖向沉降逐渐增大，在距墙面较远处，逐渐保持平稳。

当q=70 kPa时，四种挡墙的竖向沉降分布曲线如图8。

图8 四种挡墙的竖向沉降曲线Fig. 8 Curves of vertical settlement of four retaining walls

废旧轮胎挡墙和悬臂式挡墙回填料在对于距墙面板0～4 m处，随距墙面距离的增大，竖向沉降逐渐增大，后随距墙面距离的增大而减小，最后趋于平稳；在距墙面板0～4 m处，其余两种挡墙回填料随距墙面距离的增大，其竖向沉降随之增大，最后变化趋势逐渐达到平稳。

悬臂式挡墙、废旧轮胎挡墙、重力式挡墙和面板式土工格栅加筋土挡墙的最大竖向沉降分别为3.66、3.00、2.66、2.17 cm，竖向沉降依次减小。

2.3 水平土压力

图9为四类挡墙在q=70 kPa下的水平土压力分布曲线。由图知：自墙顶向下，废旧轮胎挡墙和重力式挡墙的水平土压力先增加后减小，再增加又减小，由此可见这两种挡墙抵抗土压力的工作性能相似；其余两种挡墙沿墙沿墙顶向下，其水平土压力先增后减；重力式挡墙的水平变形小，土体应力无法释放，导致在挡墙下半部分，其水平土压力大。