偏移距离对阶梯式土工合成材料加筋土挡墙性能影响的定量评估

《Geotextiles and Geomembranes》：Quantitative evaluation of the influence of offset distances on the performance of tiered geosynthetic reinforced soil walls

　　摘要

作为阶梯式土工合成材料加筋土（GRS）挡墙设计中的关键参数，错台距离对内部稳定性和整体稳定性具有重要影响。本文针对不同错台距离下的阶梯式GRS挡墙进行了数值研究，以探究错台距离的影响。采用有限差分程序进行数值模拟，对一座已实施现场监测的阶梯式GRS挡墙进行建模。模拟结果与现场实测数据（包括两层挡墙的面板位移和筋材拉应变）吻合较好。结果表明，随着错台距离增大至临界值，两层挡墙的最大面板位移以及下层挡墙的最大筋材拉力均呈非线性减小。然而，错台距离对上层挡墙的最大筋材拉力影响较小。此外，随着错台距离增大，下层和上层挡墙的破坏面逐渐分离。对于较大的错台距离，两层挡墙的破坏面趋于独立发展。本文提出了一项设计建议，可在内部稳定性设计中定量考虑错台距离的影响。

引言

土工合成材料加筋土（GRS）挡墙因其施工效率高、变形适应能力强和可持续性好等优点，已被广泛用作传统支挡结构的替代方案（Huang等，2009，2010；Damians等，2013；Allen和Bathurst，2015；Miyata等，2014，2015；Jiang等，2016；Zheng和Fox，2016；Moncada等，2024）。随着交通基础设施对高挡墙需求的不断增加，高GRS挡墙有望在高差较大和地形陡峭的区域得到广泛应用（Leshchinsky等，2004；Zhang等，2023）。然而，随着单层GRS挡墙高度的增加，筋材拉力和面板位移显著增大，从而对变形和内部稳定性设计提出了更高要求（Runser等，2001；Stuedlein等，2012；Damians等，2021）。因此，阶梯式布置可为高GRS挡墙提供一种实用的替代方案。然而，阶梯式GRS挡墙的静力行为比单层GRS挡墙更为复杂，因为上下两层挡墙由于错台距离的存在而可能产生相互作用。因此，合理评估上下两层挡墙之间的相互作用，特别是错台距离的影响，对于阶梯式GRS挡墙的设计至关重要。

阶梯式GRS挡墙的现场试验普遍表明，上下两层挡墙之间的相互作用显著影响两层的变形和稳定性（Yoo和Jung，2004；Yoo和Kim，2008）。缩尺模型试验表明，阶梯式GRS挡墙的面板位移和筋材拉力受两层挡墙之间相互作用的显著影响，而该相互作用主要受错台距离控制（Yoo等，2011；Mohamed等，2014；Gao等，2024）。Yoo等（2011）对不同错台距离的阶梯式GRS挡墙进行了一系列缩尺试验，结果表明，在大错台距离下，上下两层挡墙中形成独立的破坏面，且观测到的破坏面近似呈对数螺旋形状。Mohamed等（2014）对带包裹式面板的阶梯式GRS挡墙进行了一系列离心机试验，结果表明，两层挡墙之间的相互作用影响破坏面的形状，且FHWA设计指南倾向于高估相互作用距离（Taylor等，2023）。Gao等（2024）对2 m高的不同错台距离GRS挡墙进行了缩尺试验，发现在工作应力条件下，上层挡墙的面板位移大于下层挡墙。此外，错台距离较大的阶梯式GRS挡墙比相同总高度的单层GRS挡墙表现出更小的面板位移。这些研究表明，错台距离对阶梯式GRS挡墙的外部稳定性和内部稳定性具有显著影响，这些发现为控制此类挡墙静力行为的关键因素提供了重要见解。

已有研究报道了静力荷载条件下阶梯式GRS挡墙的行为（Yoo和Song，2006；Yoo，2018；Xiao等，2023；Ali等，2024），但关于错台距离对内部稳定性设计影响的定量评估仍不充分。Yoo和Song（2006）对不同地基压缩性条件下的阶梯式GRS挡墙进行了有限元分析，发现在给定错台距离下，屈服地基条件下的两层挡墙相互作用大于刚性地基条件。Yoo（2018）研究了不同错台距离下阶梯式GRS挡墙的行为，报告称增加筋材刚度和筋材长度可减小上下两层挡墙之间的相互作用。Xiao等（2023）对阶梯式GRS挡墙进行了数值研究，报告称增加上层挡墙的筋材长度可同时减小筋材拉力和面板位移。Ali等（2024）对不同错台距离的阶梯式GRS挡墙进行了数值模拟。结果表明，在相同条件下，多层阶梯式布置相较于单层GRS挡墙可显著减小面板位移和筋材拉力。总体而言，上述数值研究普遍表明，增大错台距离可减小面板位移和筋材拉力。作为阶梯式GRS挡墙设计中的关键参数，错台距离对阶梯式GRS挡墙的行为具有重要影响。然而，关于错台距离如何影响阶梯式GRS挡墙中筋材拉力的分布和量值的定量评估仍然有限。此外，尽管现行设计指南考虑了错台距离对上下两层挡墙相互作用的影响，但相应条款是否适用于不同设计参数（如土体摩擦角、下层挡墙高度和上层挡墙高度）的阶梯式GRS挡墙仍不明确。因此，需要进一步研究以定量评估错台距离对阶梯式GRS挡墙行为的影响，并评估现有设计指南对各种设计参数的适用性。

为弥补上述研究空白，本文进行了数值模拟，分析不同错台距离下阶梯式GRS挡墙的静力行为，旨在定量评估错台距离对阶梯式GRS挡墙内部稳定性和破坏机制的影响。此外，本研究还探讨了各种设计参数对上下两层挡墙之间相互作用的影响，具体表现为面板位移和筋材拉力。研究结果为阶梯式GRS挡墙的设计提供了有价值的指导，并提出了一项设计建议，以在阶梯式GRS挡墙的内部稳定性设计中考虑错台距离对所需筋材抗拉强度的影响。

章节片段

数值模型与验证

本研究采用有限差分程序FLAC模拟阶梯式GRS挡墙的静力行为（Itasca Consulting Group Inc，2016）。数值模型通过与一座已实施现场监测的足尺阶梯式GRS挡墙的实测数据进行验证，该挡墙的施工详情由Yoo和Jung（2004）报道。足尺现场挡墙建于韩国成均馆大学岩土工程试验场。阶梯式GRS挡墙的基础...

参数研究

随后，利用经过验证的数值模型研究阶梯式GRS挡墙的静力行为。本研究建立了一系列两层阶梯式布置的GRS挡墙模型，以评估错台距离对静力行为的影响，如图8所示。在这些模型中，GRS挡墙总高度为H=12 m，由两层组成。下层和上层挡墙的高度均为H1=H2=6 m。筋材竖向间距为Sv=0.6 m，且...

稳定性分析

采用抗剪强度折减法评估不同错台距离下阶梯式GRS挡墙的整体稳定性。分析通过逐步折减回填土及相关界面的抗剪强度参数来实现，采用强度折减系数（Zienkiewicz等，1975），定义如下式（1）：

????=??/??′=tan(??)/tan(??′) （1）

式中，FS为安全系数；c和φ分别为回填土的初始黏聚力和摩擦角...

结论

本文通过数值研究评估了错台距离对阶梯式GRS挡墙内部稳定性和整体稳定性的影响。利用经过验证的数值模型进行了参数研究，考察了错台距离、土体摩擦角、下层挡墙高度和上层挡墙高度对阶梯式GRS挡墙面板位移和最大筋材拉力行为的影响。这些设计参数对...

CRediT作者贡献声明

Fuxiu Li：撰写–初稿，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Mingchang Ji：软件，方法学。Yu Zhen：调查，形式分析，数据管理。Yewei Zheng：撰写–审阅与编辑，监督，软件，资源，项目管理，经费获取。

致谢

本工作得到湖北省自然科学基金（项目编号：JCZRQNB202600439）、中国博士后科学基金博士后资助项目（项目编号：GZC20261742）以及国家自然科学基金（项目编号：52478358和52078392）的资助。作者们对此资助表示感谢。

Fuxiu Li|Mingchang Ji|Yu Zhen|Yewei Zheng

武汉大学土木建筑工程学院，中国湖北省武汉市，430072