新大洲土工格栅
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土工格栅加筋土挡墙水平变形影响因素分

澳门太阳集团2007网站:admin  发布时间:2016-08-09  点击:1283

现代土工合成材料加筋土挡墙的设计方法主要是以强度控制为第一要素,而 未能考虑工作应力状态下墙面的水平变形。为确保其水平变形在安全范围内,一 般是以大于l. o的稳定安全系数来保证的。由于土工格栅筋材的拉伸应变、筋/土 相对位移及加筋土墙体后非加筋土体的侧向土压力等均会引起墙面的水平变形。 墙面水平变形的大小与墙体断面结构形式、拉筋性能及布置方式、外荷载等有着重 要关系。

加筋土挡墙墙面水平变形由加筋体的水平变形和墙后非加筋土体的水平变形 组成。一般来说,水平变形的大小主要与拉筋材料的布置、所用的筋材类型、填料 类型和排水设计、施工等因素有关。挡土墙的水平变形设计是其安全设计的一个 重要内容。

为了确保土工格栅加筋土挡墙的水平变形满足要求,本节以非线性有限元数 值计算为研究手段,以标准断面土工格栅加筋土挡墙为研究对象,通过改变影响其 水平变形的10种因素,研究参数变化对墙面水平变形的敏感程度,提出影响水平 变形的主要因素,为研究土工格栅加筋土挡墙水平变形的内在机理提供依据,并对 挡土墙设计提供技术参考。

4. 8.1 土工格栅加筋土挡墙有限元分析模式

本研究计算采用ADINA非线性有限元计算App分析影响土工格栅加筋土挡 墙墙面水平变形的因素,以确定控制土工格栅加筋土挡墙墙面水平变形的主要 因素。

在加筋土挡墙施工过程中,由于压实机械和土体自重作用会引起墙面的水平 变形,但为了确保挡墙竣工后墙面坡率满足设计要求,在施工中可以不断调整墙面 倾角以保证断面形式的准确。因此,在有限元分析中,不考虑施工过程的影响,假 定墙体荷载一次施加。

修建于美国Algonquin的预制块式土工格栅加筋土挡墙,墙高6. 0m拉筋长 度L = 4. 2m等间距布置,Sv = 0. 6m刚度EA =400kn/m填土采用黏性土,墙顶 无荷载,地基土为黏性土,如图4. 10所示。墙后填土弹性模量为25MPa有效内 摩擦角p=20°,黏聚力C = 22kPa;地基土弹性模量为35MPa有效内摩擦角

= 25°,黏聚力 c=18kPa0

4. 10基本墙型参数


 


为了研究各种因素对墙面水平变形的影响及其敏感性,以基本墙型为基础,在 其他因素不变的情况下,改变其中一个参数,分析其水平变形。各影响因素如 表4. 1所示。

4.1 土工格栅加筋土挡墙水平变形影响因素变化情况

序号

参数

变化值

1

地基土模量

35MPa42MPa28MPa21MPa14MPa

2

土工格栅刚度

400kN/m1500kN/m800kN/m600kN/m200kN/m100kN/m

3

土工格栅竖向间距

0. 6ml. 0m0. 9m0. 8m0. 7m0. 5m0. 4m

4

土工格栅长度变化

4. 2m6. 6m,5. 4m3. Om

5

墙后填料

模量变化、含水量变化

6

墙髙变化

6. Om7. Om5. Om

7

面板型式

预制混凝土块式、整体现烧混凝土面板、±X格腿贼(无面板)

8

断面型式

等长布置、上短下长布置、上长下短布置、上下短中间长布置

9

条形荷载

改变荷载的大小和作用位置

10

挡墙面板基础埋深

0. 3m0. 6m0. 9m1. 2m

 

4.8.2地基土弹性模量对墙面水平变形的影响

4.11表示地基土在不同弹性模量条件下,墙面水平变形沿墙髙的分布 图示。


从图中可以看出,墙面水平变形实测结果与有限元计算结果较为接近。当地 基土弹性模量分别降低20%40%60%时,墙面最大水平变形分别增大12%35%76%。可见,随着地基土弹性模量的降低,地基沉降变形加大,导致了墙面 水平变形的增加。同时地基模量的降低,会使地基承载力不能满足要求,加筋土挡 墙可能会发生失稳。当地基土弹性模量增加20%时,墙面最大水平变形减小约为 8%。因此,在满足地基承载力条件下,增大地基土模量对墙面水平变形的影响不 明显。

4.8.3 土工格栅拉筋刚度对墙面水平变形的影响

4. 12为土工格栅刚度变化对墙面水平变形的影响图示。

墙面水平变形(5//%


 

4.12 土工格栅刚度对墙面水平变形的影响

当土工格栅刚度由400kN/m分别降低到200kN/mlOOkN/m时,墙面水 平变形分别增加20%42%。当土工格栅刚度由400kN/m分别增加到600kN/ m800kN/m1500kN/m时,墙面水平变形分别减少10%16%42%。可以看 出,加筋土挡墙的水平变形随拉筋刚度的增加而减小。当拉筋刚度降低时,墙面水 平变形明显增大,过大的水平变形可能会导致低刚度拉筋断裂。因此,拉筋的刚度 值(Ea)对加筋土挡墙的水平变形有显著的影响。

Chew[33]的研究结果也表明,加筋体的相对刚度对墙面水平变形有重要影 响。若拉筋在垂直方向均勻分布,定义相对刚度民为 。Er ? Ar


式中,瓦、——拉筋材料的弹性模量和截面积;

Sy——均匀分布的拉筋垂直间距。

4. 8. 4 土工格栅竖向间距(加筋率)对墙面水平变形的影响

考虑到预制块式墙面板对改变拉筋竖向间距的局限性,以相同断面尺寸的返 包式土工格栅加筋土挡墙为例,通过改变拉筋竖向间距1.0m0. 9m0. 8m0. 7m0. 6m 0. 5m0. 4m),分析其值变化后对墙面水平变形的影响,如图4. 13 所示。


墙面水平变形(5//%


Ei


 

4. 13拉筋竖向间距对水平变形的影响

通过对不同加筋率的墙面水平变形的比较可以看出:由于返包式加筋土挡墙 借助于连接棒将上下层拉筋连接成一整体,整个结构具有良好的整体稳定性。虽 然墙面的最大水平变形随着加筋竖向间距的增加而增大,但当竖向间距在 0. 4?0. 8m范围内,其改变量对水平变形的影响不大。而当竖向间距增加到0. 9m 以上时,墙面水平变形明显增大。由此可见,在其他条件不变的情况下,对返包式 加筋土挡墙在一定范围内减小加筋竖向间距对墙面水平变形影响不明显。

在加筋土结构中,拉筋的主要作用是对土体的侧向变形产生约束作用,使土体 的极限强度得以提高,并抑制塑性区的产生和发展。一般认为加筋间距越小,筋土 之间的界面摩擦越大,加筋效果越显著。当筋土产生相对位移时,拉筋上下土体一 定范围会产生膨胀区,土体发生膨胀,发生应变,靠近拉筋的区域为高应变区,较远
处为低应变区,如图
4. 14所示。基于筋土的相互作用和应力传递,拉筋又对土体侧 向膨胀起着约束作用,阻止侧向变形。但当加筋分布较少时,这种约束作用很弱,且 拉筋仅在其影响范围内约束土体。在其影响范围之外,土体依旧产生侧向膨胀。只 有在保证一定的加筋率条件下,多层加筋共同作用,X土体约束作用才会得到发挥。


 

在拉筋层数较少的条件下,拉筋对土体的约束作用弱,加筋范围之外的土体有 较大侧向膨胀,拉筋提供的侧向约束力较小,复合体强度相应降低。随着拉筋层的 增多,拉筋对土体的侧向约束力增强,相应的加筋土强度越高。在拉筋约束土体侧 向膨胀的同时,土体的加筋作用也相应加强。因此,加筋率越大,筋土接触界面面 积越大,拉筋的截面面积越大,拉筋所提供的侧向约束越大,对土体变形约束力越 强,结构强度提高越大。但是,拉筋间距并不是越小越好,过小时容易造成超筋 土,不但会导致经济上的不合理,增加费用开支,增大施工难度,而且实际的加筋 效果并不比适度加筋效果明显,可能会沿挡土墙基底整体滑移(如图4. 15为拉筋 竖向间距Sv = 0. 4m时的墙面水平变形云图)。因此,要使加筋土支挡结构更加稳 定,并充分地发挥其效用,发挥其强度特性,必须确定合理的加筋率。

Sanjay[34]等提出了加筋有效影响范围的概念,认为在加筋土结构中,摩擦 力对土体的约束作用仅在一定范围内有效,在该范围内摩擦力弓丨起的附加应力分 布从界面处的最大值依照一定规律沿深度衰减至零,而在此范围以外的土体仍然 表现为原来的应力状态。在加筋有效影响范围内的土体由于拉筋的作用,变形 受到约束,从而在宏观上表现出一种黏聚力,减小了主应力差,使土的强度得 到提高。当拉筋间距大于加筋有效影响范围时,在拉筋有效范围内的土体受到拉 筋的约束作用而使强度增加,范围之外的土体仍然保持原来的状态,因此会导致在 两层拉筋之间留下一块未被加强的土体,成为加筋土结构中的薄弱环节,在外力作 用下可能会发生破坏,产生较大的侧向变形。而当加筋层间距小于加筋有效影响 范围时,加筋有效影响范围相互搭接,拉筋间的土体都受到拉筋的约束作用,使得

4.15竖向间距Sv=0. 4m时的墙面水平变形云图


 

加筋土挡墙强度均有所提髙,在相同的外力作用下,结构会更加稳定,水平变形就 越小。

由图4.13可知,6. Om髙土工格栅加筋土挡墙而言,拉筋竖向间距到0. 8m 以后,最大水平变形明显增大,因此,拉筋竖向间距应小于0.8m该结论与文 献[35]和文献[36]相同。

4.8.5   土工格栅长度对墙面水平变形的影响

在基本墙型条件下,改变拉筋长度(L=3. 0m4. 2m, 5. 4m6. 6m)分析其数 值变化对墙面水平变形的影响。为便于分析比较,以()()高比L/H表示, 如图4.16所示。

由于土的抗拉能力低,抗剪强度也有限,因此在土体中放置拉筋材料,构成了 土-拉筋的复合体。当该复合体受外力作用时,将会产生体变,引起拉筋与其周围 土体之间相对位移趋势。由于两种材料界面上的摩擦力、咬合力以及嵌固力的存 在,限制了土体的侧向变形,等效于给土体施加了 一侧压力增量,使土体的强度和 承载力均有提高。但是,如果拉筋比较短,拉筋只能对它附近的少量土体产生影 响,而对于整个墙后土体的影响不大,不能有效地限制土体的水平变形,整体稳定


墙面水平变形(<5AfO/%

4. 16拉筋长度对墙面水平变形的影响


 

性也提高不多。表现在宏观上,加筋效果不明显,墙面水平变形较大。所以,无论 在任何位置加筋,土工格栅都有一个最小长度,只有加筋长度超过此最小长度,才 能有效地发挥土工格栅的加筋作用,即拉筋只需要一定的长度来抵抗土体的滑动 破坏。在墙高一定的情况下,对于加筋长度存在某一极限值,即加筋长度超过一定 值后会有加筋富裕,富裕加筋并没有发挥太大的作用。因此通过增加拉筋的长度 来改善墙面板的侧向变形并不总是可行的。如图4. 16所示,当L/H大于0. 7后,墙面的水平变形变化很小。而当等于0. 5时,墙面的水平变形会突然增 大。因此,建议拉筋长度以L/H==0.5?0.7为宜。

按照极限平衡理论,墙面板后填土被两个平面分为三种不同性质的应力区 MC37,38],如图4.17所示。其中I区为主动区,边界线OE是为维持结构平衡所需

4.17加筋土挡墙应力区的划分


 

的拉筋最大拉力位置连接而成的平面即Rankine破裂面,直线0E与水平面的夹 角为其中^为填土的有效内摩擦角。n区为过渡区,边界线0D是理论 上的拉筋拉力为零的位置连接而成的平面,直线0D与水平面的夹角为& m区 为平面线AD以下的区域即稳定区,该区域内土体靠自重能维持其静力平衡,而拉 筋拉力为零。因此,根据该滑动楔体的形状,拉筋的铺设在墙体的下部应该较短(即加筋长度L较小)、较密(即加筋间距Sv较小),而在中上部较长、较疏。但是 由于这样会带来施工的困难和工期的延长,综合经济效益并不明显,故实际工程一 般采取均勻布筋,只是对拉筋长度进行控制。

4.8.6填料变化对加筋土挡墙水平变形的影响

4.18表示改变填料的弹性模量后,墙面水平变形的变化情况。从图中可以 看出,随着填料工程特性(弹性模量)的降低,墙面的水平变形增大。当土体弹性模 量为30MPa25 MPa20 MPa15 MPa时,对应的水平变形(分别为0. 82%, 0. 84%,0. 90%0. 98%。因此,在进行加筋土挡墙填料选择时应优先选用优质 填料。

墙面水平变形(/%


 

4.18 土体模量变化对墙面水平变形的影响

随着加筋土挡土墙的推广应用,填料的选择范围也逐渐增大,黏性土作为填料 的工程实例越来越多。但黏性土填料受外界环境的影响较大,较粗粒料易发生结 构破坏。仅以文献[39]为例,一座6m髙钢筋混凝土拉筋的加筋土挡土墙,由于雨 水渗透,挡墙突然树塌,面板塌落在墙脚,拉筋脆性断裂。因此,用黏性土作为加筋 土挡墙的填料时,当受到外界环境变化(雨水下渗),如果填料饱和度较大(超过 80%),填料中将会产生较高超静孔隙水压力。研究结果表明,与没有超静孔隙水 压情况时最大拉力筋在底层的位置相比,正的超静孔隙水压对布筋长度计算的影 响表现在:拉筋拉力加大;最大拉力筋材位置上移,对应的筋材上土体的自重压力 减小;正的超静孔隙水压的存在使筋土摩擦力减小,因此墙面水平变形增加[4°]。 另一方面,含水量增加,会导致内摩擦角减小,从而增大了墙面板后的侧向土压力, 增加墙面的水平变形。

对黏聚力较大的细粒土填料,土体黏结力较强,挡墙的整体性较好,水平变形 较小,但填料含水量增大和内摩擦角的减小会导致黏聚力降低,造成筋土间摩擦作 用减弱,引起墙面变形增大。由此可见,含水量的增加对细粒土填料的加筋土挡墙 7JC平变形有不利的影响[41]。图4. 19为假定雨水下渗不同的深度时土工格栅加筋 土挡墙墙面的水平变形,充分证实了前面观点的正确性。

墙面水平变形(/%

4.19雨水下渗对墙面水平变形的影响


 

4.8.7墙离变化对墙面水平变形的影响

4. 20显示了在相同的拉筋特性和拉筋竖向间距条件下,不同墙高H =

5. 0m6. 0m7. Om)对墙面水平变形的影响。

计算结果显示,墙面水平变形随墙髙的增加而增大,并且基本呈线性关系。

4.8.8不同墙面板形式对墙面水平变形的彩响

为了分析墙面板型式对墙面水平变形的影响,计算中考虑了三种不同的面板 形式:返包式面板。虽然该形式的面板本身刚度可近似为零,但其借助于连接棒



(I韬鄹


 

墙面水平变形(

4. 20墙高对墙面水平变形的影响


 

将上下层土工格栅连接在一起,从而使土工格栅加筋土挡墙形成一个整体,具有良 好的整体效果。整体现浇混凝土面板。这种墙面板型形是在返包式土工格栅加 筋土挡墙中预埋锚杆,墙体竣工后整体现浇混凝土面板。预制块式面板。这种 墙面形式,单个预制块面板的刚度很大,但就整个墙高范围来说,整体刚度很小。 计算时分别考虑了单个面板高度为0. 3m0. 6m时的两种情况。

4. 21为不同面板形式对墙面水平变形的影响。图中显示,墙面板形式对墙 面水平变形有明显的影响。整体现浇混凝土面板形式的水平变形最小,最大水平 变形为墙高的0_ 47%,其次为返包式墙面板形式(最大水平变形为墙高的0. 5%, 其值与整体现浇式混凝土面板接近,水平变形最大的为预制块式墙面板形式。当 单个面板髙度为0. 6m时,预制块式墙面板最大水平变形为0. 75%;当单个面板髙 度为0. 3m时,预制块式墙面板最大水平变形为0. 82%。因此,在预制块式土工格 栅加筋土挡墙设计时,在考虑施工便利的条件下,尽量采用较大髙度的墙面板。

综上所述,建议设计时,土工格栅加筋土挡墙墙面板优先选择整体现浇混凝土 墙面板形式,其次是返包式墙面板形式,最后为预制块式墙面板形式。

4.8.9加筋体断面形式对墙面水平变形的影响

4. 22表示了计算中采用的四种不同断面型式的土工格栅加筋土挡墙工况, 计算结果如图4. 23所示。



0


?— iE^^(5v=0.6m)

***■~ 现烧?W^^(Sv=0.6m) —A预制块式(面板高0.6m) ■"A预制块面板高0.3m)


墙面水平变形(//)/%


e


 


 

高强土工格室
高强土工格室

 

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 



4. 23墙体断面对墙面水平变形的影响


L/H=0. 7时的等筋长布置方式A工况墙面水平变形最小,BD两种工况条 件下的墙面水平变形较为接近,C工况墙面水平变形最大。由此可见,墙面水平变 形对下半墙高布设短筋工况较为敏感,主要是由于下半墙将产生较大的竖向土压 力和侧向土压力,可能会导致筋、土产生相对位移而弓丨起的。

4.8.10墙顶荷载对墙面水平变形的影响

假定墙顶作用如图4 24所示的荷载。为了分析荷载位置及大小对墙面水平 变形的影响,计算时考虑了如表4. 2所示的六种情形分别进行计算。计算结果如 图4. 25?图4. 27所示。

__________

4. 24墙顶外荷载作用图示

4.2墙顶荷载对墙面变形影响工况

工况

D/m

B/m

P/(kN/m2)

情况0

1.0

3.3

0

情况1

1.0

3.3

54.0

情况2

1.0

3.3

42. 0

情况3

1.0

3.3

21.0

情况4

3.0

3.3

54

情况5

5.0

3.3

54

情况6

1.0

11.0

21(均布荷载)

 

计算结果显示:墙顶局部超载的作用对加筋土挡墙墙面水平变形产生很大的 影响。条形荷载距离墙面越近,水平变形越大。当条形荷载作用在加筋区范围内 时,不同作用位置处的荷载,对墙面中部的水平变形影响较大。而当条形荷载作用 于非加筋土区域时,墙面水平变形明显减小。并且墙面水平变形的大小随条形荷 载强度的增加而增大。条形荷载对墙面水平变形的影响特点是:随着荷载强度增


大、D值的减小,最大水平变形位置有向墙体下部移动的趋势。由此可见,墙顶条 形荷载对墙面水平变形有显著影响,其大小取决于荷载的作用位置和大小。

4. 27为墙顶施加均布荷载后墙面水平变形的图示。结果显示,均布荷载施 加后墙面水平变形加大,其形状与未施加荷载时的墙面水平变形性状基本相近。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

塑料排水板
塑料排水板

 



4. 27均布荷载对墙面水平变形的影响

4. 28基础埋深对墙面水平变形的影响


4. 8.11墙面板基础埋深对墙面水平变形的影响

4. 28分析了在基本墙型条件下,对墙面板基础设置不同的埋置深度U =

  1. 3m0. 6m0. 9ml. 2m)时墙面水平变形沿墙高的分布。

    可见,面板基础不同的埋置深度将影响着墙面水平变形的大小。埋置深度越 大,墙面水平变形越小,且对上半墙影响较为显著。

新型整体高度直接测探式塑料排水板
新型整体高度直接测探式塑料排水板

    
 
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