GRS挡土墙的变形研究

李鹏飞，江文凌，吴雪城

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



GRS挡土墙的变形研究

李鹏飞，江文凌，吴雪城

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

GRS具有更好的延展性和柔韧性，整体稳定性好，抗震性能优越。文章采用数值分析方法，对GRS挡土墙的变形进行研究，得到GRS挡土墙的变形特性。

GRS；挡土墙；数值分析；变形

0　引言

传统的加筋土挡土墙是从早期的钢带等加筋土挡土墙发展而来，其本质上是机械力学稳定土(Mechanically Stabilized Earth，MSE)，它遵循的是重力式挡土墙的设计理念，墙体面板要承受按照库仑理论或朗肯理论计算得来的土压力。

传统的设计方法决定了加筋土支挡结构需要使用沉重的面板、强度很高和较长的加筋材料来增强对侧向土压力的抵抗作用[1]。工程实践表明[2]，传统加筋土挡土墙的加筋间距较大，未能充分发挥加筋材料对土体的约束作用，容易出现侧向变形引起的面板失稳、面板处加筋材料应力集中、变形不协调、需要较长的筋材长度等问题。

介于传统加筋土结构MSE存在的诸多弊端，国外学者提出了小间距加筋土(Geosynthetic Reinforced Soil，GRS)。本文所说的小间距加筋土，是指加筋材料间距<0.3 m的一种加筋土技术和结构，以区别于传统的加筋土技术(Mechanically Stabilized Earth，MSE)，用以强调加筋材料对土体的约束作用；在外荷载作用下，GRS表现出类似于连续固体复合体介质的力学特性[3]。初步调研成果表明[2，3]，GRS具有更好的延展性和柔韧性[4]，整体稳定性好，抗震性能优越[5]。当填料为级配良好的粒料土，并在充分压实的情况下，小间距土工合成材料加筋土体可以形成稳定的直立结构，不需要面板支撑(为了便于施工，轻型砌块面板与加筋材料的连接仅为摩擦连接)，其高度能够达到数十米，甚至能够做成倒锥形的支挡体。

加筋土结构在实际工程中得到了广泛应用，但国内对加筋土结构的认识与研究主要集中在传统的机械力学稳定土结构MSE上，对小间距加筋土GRS的研究相对较少。本文采用数值分析的方法，对GRS挡土墙的变形进行研究，得到GRS挡土墙的变形特性。

1　有限元计算模型

本文运用有限元通用计算软件PLAXIS 2D建立传统加筋土挡土墙模型与GRS挡土墙模型，通过对GRS挡土墙的变形进行研究，得到GRS挡土墙的变形特性。PLAXIS 2D是一套理论基础坚实、逻辑性强、界面友好、便于使用、并且适用于大多数岩土工程领域的二维有限元分析软件。PLAXIS 2D中有多种土体本构模型可供选择，加筋土中的加筋材料可通过土工格栅单元进行模拟，面板采用实体单元模拟，通过界面单元模拟筋-土之间、加筋-面板之间的相互作用。

1.1几何模型

模型地基宽15 m、高5 m，挡土墙高6 m。在传统加筋土挡土墙中，加筋间距Sv为0.6 m，加筋长度L为0.7 H，即4.2 m，如图1所示；在GRS挡土墙中，加筋间距Sv为0.2 m，加筋长度L为0.3 H，即1.8 m，如图2所示。

1.2网格划分与边界条件

PLAXIS 2D能够进行非结构化的平面有限元网格的自动生成，其中有15节点和6节点平面单元可供选择，为提高计算精度，本文选用15节点平面单元的网格形式。模型的底部采用刚性边界，右侧采用水平约束，顶部及挡土墙左侧为自由边界，左侧下部为水平约束。模型的网格划分与边界条件如图3～4所示。

图1　传统加筋土挡土墙模型几何尺寸图

图2　GRS挡土墙模型几何尺寸图

图3　传统加筋土挡土墙网格划分与边界条件示意图

图4　GRS挡土墙网格划分与边界条件示意图

1.3计算参数

在数值计算中，地基与填土单元的本构模型均采用摩尔库伦模型；土工格栅单元采用线弹性模型；模块式面板采用的是0.2 m×0.2 m×0.5 m的C25混凝土面板，长度为0.5 m，高度和宽度为0.2 m，采用实体单元进行模拟，材料的本构模型为线弹性本构模型。具体的计算参数见表1。

表1　各种材料具体的计算参数表

土工格栅轴向刚度EA=200 kN/m，压实荷载为20 kPa。传统加筋土挡土墙与GRS挡土墙中土工格栅与土体之间设置界面单元，根据PLAXIS程序和相关资料的推荐，土工格栅与土体之间界面单元参数Rinter=0.67。

在传统加筋土挡土墙中，土工格栅与面板为固定连接，不设置界面单元；在GRS挡土墙中，土工格栅与面板之间为摩擦连接，设置界面单元进行模拟，根据PLAXIS程序和相关资料的推荐，界面单元参数Rinter=0.8。

1.4施工过程模拟

利用计算程序中的“生死”单元法对加筋土逐层填筑、荷载逐级施加的过程进行模拟。

2　计算结果与分析

2.1总体变形分析

通过数值计算，得到传统加筋土挡土墙与GRS挡土墙的总体变形云图，分别如图5～6所示。

图5　传统加筋土挡土墙总体变形云图

通过计算，得到传统加筋土挡土墙中总体变形最大值为31.65 mm，GRS挡土墙中总体变形最大值为24.25 mm，相比传统加筋土挡土墙，GRS挡土墙总体变形最大值要小23.4%。同时，由图5～6可以看出，在传统加筋土挡土墙中，墙体面板处的变形普遍都较大，而且最大变形发生在墙体上部面板处，而在GRS挡土墙中，墙体面板处的变形都较小，最大变形发生在加筋材料末端的上部区域。

图6　GRS挡土墙总体变形云图

2.2侧向变形分析

通过数值计算，得到传统加筋土挡土墙与GRS挡土墙的侧向变形云图，分别如图7、图8所示。

图7　传统加筋土挡土墙侧向变形云图

图8　GRS挡土墙侧向变形云图

通过计算，传统加筋土挡土墙中侧向变形最大值为27.42 mm，GRS挡土墙中侧向变形最大值为11.50 mm，相比传统加筋土挡土墙，GRS挡土墙侧向变形最大值要小58.1%。同时，由图7、图8可以看出，GRS挡土墙面板处的侧向变形要远小于传统加筋土挡土墙面板处的侧向变形，并且在传统加筋土挡土墙中，从下到上所有面板处的侧向变形都很大，而在GRS挡土墙中，只有顶部几层面板处的侧向变形较大，下部面板处的侧向变形很小。

3　结语

(1)综上所述，相比传统加筋土挡土墙，GRS挡土墙中总体变形最大值减小23.4%，侧向变形最大值减小58.1%，GRS挡土墙对侧向变形的约束作用更大。传统加筋土挡土墙的变形主要集中在面板处，而在GRS挡土墙中，面板处的变形很小。

(2)与传统加筋土挡土墙相比，GRS挡土墙中由于筋-土界面作用突出，加筋材料与土体能形成筋-土复合体抵抗变形，能有效地抑制挡土墙的变形，特别是对侧向变形的抑制作用，使GRS挡土墙的侧向变形与面板处变形大大减小，提升GRS挡土墙的整体稳定性能。

[1]JTJ051-91，加筋土工程设计规范[S].

[2]Barrett R K，Ruekman A C.GRS-A new era in reinforced soil technology[C].Geosthetics in Reinforeement and Hydraulie Applications：ASCE，2007：153-164.

[3]ADAMS M T，SCHLATTER W，TABILE T.Geosynthetic Reinforced soil Integrated Abutments at the Bowman Road Bridge in Defiance County，Ohio[C].Geosynthetics in Reinforcement and Hydraulic Applications：ASCE Geotechnical Special Publication No·165·Denver，Colorado，USA：ASCE，2007：119-129.

[4]HU Youchang，SONG Hai，ZHAO Zhengjun.Experimental Study on Behavior of Geotextile-reinforced Soil[C].CriticalIssues in Transportation Systems Planning，Development，and Management(Proceedings of 9th International Conference of Chinese Transportation Professionals)，Harbin，China：ASCE，2009：2393-2402.

[5]Wu J T H，Lee K Z Z，Pham T.Allowable Bearing Pressures of Bridge sills on GRS Abutments with Flexible Facing[C].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering：ASCE，2006：830-841.

Study on Deformation of GRS Retaining Wall

LI Peng-fei，JIANG Wen-ling，WU Xue-cheng

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

GRS has better ductility and flexibility，good overall stability，and excellent seismic perform-ance.By using the numerical analysis method，this article studied the deformation of GRS retaining wall，and obtained the deformation characteristics of GRS retaining wall.

GRS；Retaining wall；Numerical analysis；Deformation

2016-04-06

U417.1+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.008

1673-4874(2016)06-0027-03

李鹏飞(1989—)，助理工程师，硕士，主要从事道路工程设计及咨询工作；

江文凌(1988—)，助理工程师，主要从事道路工程设计及咨询工作；

吴雪城(1983—)，工程师，主要从事桥梁设计、景观绿化设计、造价咨询工作。