姚寶寬，王麗艷，謝紅梅，鞏文雪

（1. 江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2. 江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

目前廢舊輪胎作為建筑材料已廣泛投入到建筑工程中使用，對(duì)于輪胎及輪胎顆?；旌喜牧系牧W(xué)性能研究也十分豐富。張廣泰等[1]進(jìn)行了單軸受壓試驗(yàn)和極限承載試驗(yàn)，研究了疊層廢舊輪胎隔振墊在不同尺寸及設(shè)計(jì)壓力下的單軸受壓性能和豎向力學(xué)性能。Yoon等[2-3]采用平板荷載試驗(yàn)研究廢舊輪胎墊相對(duì)密度、嵌入深度和輪胎類型等多種因素對(duì)砂土加固作用的影響以及在不同組合形式和各種條件下的增強(qiáng)效果；Kim等[4]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)分析了有效錨固長度、輪胎數(shù)量等對(duì)輪胎拉拔性能的影響；李朝暉等[5]采用專門設(shè)計(jì)的環(huán)刀擊石設(shè)備對(duì)比研究了輪胎顆粒-黃土混合料的壓實(shí)性能，并給出不同混合料擊實(shí)指標(biāo)的建議值；李麗華等[6-8]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了廢舊輪胎加筋對(duì)土體強(qiáng)度以及邊坡穩(wěn)定的影響，發(fā)現(xiàn)廢舊輪胎加筋明顯，可顯著改善路堤沉降，同時(shí)對(duì)比分析了與土工格室加筋機(jī)理的異同，為廢舊輪胎加筋土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，并分析廢舊輪胎加筋機(jī)理，給出了關(guān)于廢舊輪胎加筋地基承載力的計(jì)算方法。LaRocque等[9]進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究了輪胎捆的加固作用。

現(xiàn)階段對(duì)廢舊輪胎擋墻的有關(guān)研究成果甚少。黃留新和王麗艷等[10]采用FLAC3D數(shù)值模擬建立了廢舊輪胎擋土墻模型，研究了廢舊輪胎尺寸對(duì)擋土墻水平變形的影響。Garga和O’Shaughnessy兩位學(xué)者[11]首次研究了廢舊輪胎擋墻，采用約10 000只整輪胎建立了一個(gè)4 m高的輪胎擋土墻開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，進(jìn)行了無黏性土和黏性土回填輪胎的工況的研究。Retterer[12]給出了各種廢舊輪胎擋墻類型及其設(shè)計(jì)方法，馬源[13]運(yùn)用二維數(shù)值計(jì)算對(duì)廢舊輪胎胎面重力式擋墻進(jìn)行研究（以Retterer給出的“梯形”墻型為主要研究對(duì)象），為數(shù)值模擬提供參數(shù)依據(jù)。李春強(qiáng)等[14]采用 Plaxis有限元數(shù)值分析軟件模擬計(jì)算了廢舊輪胎復(fù)合單元體擋土墻的最大水平、垂直位移并對(duì)最大位移的各影響因素進(jìn)行敏感性分析，給出工程應(yīng)用上的建議。

擋墻結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于工程領(lǐng)域，隨著時(shí)代發(fā)展，擋墻結(jié)構(gòu)形式逐漸豐富化，重力式擋墻、懸臂式擋墻和面板式土工格柵加筋土擋墻是工程實(shí)踐中最為常見的三種擋墻結(jié)構(gòu)。為研究廢舊輪胎擋墻的工程優(yōu)勢(shì)，揭示廢舊輪胎擋土墻穩(wěn)定性能。本論文對(duì)比分析廢舊輪胎擋墻和以上三種傳統(tǒng)擋墻的變形與墻背受力特性。

1 數(shù)值模型建立

選取輪胎型號(hào)為 10R22.5，輪胎直徑 D為1.04 m，廢舊輪胎斷面寬度t為0.26 m。經(jīng)多次試算，劃定擋土墻的數(shù)值模擬邊界范圍，取輪胎墻的縱向計(jì)算長度8 D較為合理；同理，取墻面向前距離10 D和地基深度向下距離6 D處作為墻前地基計(jì)算邊界。不同的是墻寬尺寸，選取性能較好的重力式擋土墻和經(jīng)濟(jì)型的懸臂擋土墻進(jìn)行對(duì)比研究。

為了對(duì)比，四類擋墻的高度H均為4.68 m，重力式擋墻墻體的平均寬度與廢舊輪胎擋土墻的保持一致，取為1.04 m。根據(jù)規(guī)范中的規(guī)定[15]，重力式擋墻的混凝土墻頂寬度必須大于 0.4 m，取墻頂寬度B0為0.58 m，則取墻底寬度B3為1.5 m；取基礎(chǔ)埋置深度最小值1.0 m，基礎(chǔ)寬度為3.0 m，厚度為1 m。查閱相關(guān)規(guī)定[15]，懸臂式擋墻墻頂寬度B0取規(guī)定寬度最小值為0.2 m；基礎(chǔ)埋置深度為1 m，基礎(chǔ)寬度為3.0 m，厚度為1 m。土工格柵鋪設(shè)在懸臂式擋墻墻后回填料中，懸臂式擋墻和土工格柵結(jié)合共同形成面板式土工格柵加筋擋土墻。為了比較，取面板式土工格柵加筋擋土墻墻頂寬度 B0為0.2 m。土工格柵的加筋長度為0.7 H，豎向加筋間距為2 t。

四類擋墻墻長均為8.32 m，墻前地基寬度B1為10.4 m，墻后回填料寬度B2為20.8 m，地基深度H1為6.24 m。

四種擋墻結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1～4。

圖1 廢舊輪胎擋墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural diagram of waste tire retaining wall

圖2為重力式擋墻結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 重力式擋墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagram of gravity retaining wall

圖3 懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structural diagram of cantilever retaining wall

除廢舊輪胎擋墻外，其余三種擋墻的墻面均為混凝土面板。查閱工程項(xiàng)目資料及相關(guān)文獻(xiàn)，取墻面板體積模量為49.4 MPa，剪切模量為21.9 MPa，密度為1 900 kg/m3，黏聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為40°，抗拉強(qiáng)度為138 kPa。輪胎內(nèi)回填料與輪胎墻后的回填料材料相同且均采用砂類土[15]。取回填料體積模量為23.8 MPa，剪切模量為16.3 MPa，密度為1 850 kg/m3，內(nèi)摩擦角為35°，抗拉強(qiáng)度為1 kPa。

四類擋墻所用混凝土材料、地基和墻后回填料相同。根據(jù)《地基與基礎(chǔ)》確定基礎(chǔ)與地基參數(shù)取值[16]，基礎(chǔ)的材料參數(shù)取體積模量為15.2 GPa，剪切模量為112.8 GPa，密度為2 385 kg/m3。地基材料參數(shù)取體積模量為 49.4 MPa，剪切模量為32.5 MPa，密度為2 400 kg/m3，黏聚力為3.5 kPa，內(nèi)摩擦角為37°，抗拉強(qiáng)度為5.6 kPa。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取輪胎參數(shù)[17]。輪胎體積模量取為1.96 GPa，剪切模量取為0.75 GPa，密度為1 250 kg/m3，厚度為20 mm。

圖4 面板式土工格柵加筋土擋墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structural diagram of panel geogrid reinforced soil retaining wall

參考相關(guān)文獻(xiàn)和相關(guān)工程項(xiàng)目資料，結(jié)合FLAC3D用戶手冊(cè)以確定輪胎與回填料、地基與地基之間的接觸參數(shù)[18-19]。輪胎與回填料的接觸面剛度為 4.55×104kN/m，摩擦角為 29°，黏聚力為 8 kPa，基礎(chǔ)與地基接觸面剛度為9.27×104kN/m，摩擦角為29.6°，黏聚力為28 kPa。

根據(jù)相關(guān)的工程項(xiàng)目以查閱文獻(xiàn)[20]，選取土工格柵的材料參數(shù)，取彈性模量為20 GPa，泊松比為0.33，切向剛度為4×104kN/m，摩擦角為30°，黏聚力為2.4 kPa，密度為650 kg/m3，厚度為2 mm。

分析四種擋墻在靜力作用下的穩(wěn)定性能，四種擋墻邊界條件相同，固定模型四周和底部，僅在模型上部施加均勻外荷載。

2 穩(wěn)定性能對(duì)比分析

2.1 水平變形

外荷載q=70 kPa時(shí)，如圖5為四種擋墻的水平變形云圖。重力式擋墻的水平變形均在墻面均勻分布，擋墻整體產(chǎn)生變形，這與面板式土工格柵加筋土擋墻水平變形分布是一致的，而另外兩類擋墻的水平變形分布均沿墻高逐漸增大，較大水平變形發(fā)生在擋墻上半部分。

圖5 不同擋墻的水平變形云圖Fig. 5 Contours of horizontal deformation of different retaining walls

當(dāng)q=70 kPa時(shí)，四種擋墻的水平變形分布曲線如圖 6。在同一水平高度處，懸臂式擋墻的水平變形最大，廢舊輪胎擋墻次之，重力式擋墻有最小水平變形；重力式擋墻和土工格柵面板式擋墻的水平變形沿墻高呈線性增加；廢舊輪胎擋墻水平變形反之。懸臂式擋墻的水平變形最大，水平變形沿墻高呈不斷增大的趨勢(shì)。

圖6 四種擋墻的水平變形曲線Fig. 6 Curves of horizontal deformation of four retaining walls

最大水平變形由小到大依次為：重力式擋墻、土工格柵加筋土面板式擋墻、廢舊輪胎擋墻、懸臂式擋墻，對(duì)應(yīng)的最大水平變形分別為0.11、0.2、1.82、3.70 cm。在靜力條件下，上述擋墻抵抗水平變形依次變差。

2.2 豎向沉降

四種擋墻在外荷載為 70 kPa時(shí)的豎向沉降云圖如圖7。

圖7 四種擋墻豎向沉降云圖Fig. 7 Contours of vertical settlement of four retaining walls

廢舊輪胎擋墻墻后回填料較大豎向沉降發(fā)生在靠近墻面處，豎向沉降在距墻面較遠(yuǎn)處較小，這與懸臂式擋墻墻后回填料豎向沉降的變化是一致的；其余兩種擋墻隨距墻面距離的增大，墻后回填料的豎向沉降逐漸增大，在距墻面較遠(yuǎn)處，逐漸保持平穩(wěn)。

當(dāng)q=70 kPa時(shí)，四種擋墻的豎向沉降分布曲線如圖8。

圖8 四種擋墻的豎向沉降曲線Fig. 8 Curves of vertical settlement of four retaining walls

廢舊輪胎擋墻和懸臂式擋墻回填料在對(duì)于距墻面板0～4 m處，隨距墻面距離的增大，豎向沉降逐漸增大，后隨距墻面距離的增大而減小，最后趨于平穩(wěn)；在距墻面板0～4 m處，其余兩種擋墻回填料隨距墻面距離的增大，其豎向沉降隨之增大，最后變化趨勢(shì)逐漸達(dá)到平穩(wěn)。

懸臂式擋墻、廢舊輪胎擋墻、重力式擋墻和面板式土工格柵加筋土擋墻的最大豎向沉降分別為3.66、3.00、2.66、2.17 cm，豎向沉降依次減小。

2.3 水平土壓力

圖9為四類擋墻在q=70 kPa下的水平土壓力分布曲線。由圖知：自墻頂向下，廢舊輪胎擋墻和重力式擋墻的水平土壓力先增加后減小，再增加又減小，由此可見這兩種擋墻抵抗土壓力的工作性能相似；其余兩種擋墻沿墻沿墻頂向下，其水平土壓力先增后減；重力式擋墻的水平變形小，土體應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致在擋墻下半部分，其水平土壓力大。

圖9 四種擋墻的水平土壓力分布曲線Fig. 9 Curves of horizontal soil pressure of four retaining walls

3 結(jié) 論

（1）對(duì)比廢舊輪胎擋墻與三類傳統(tǒng)擋土墻工作性能，得出靜載條件下，結(jié)構(gòu)形式不同的擋墻工作性能由優(yōu)到差依次為：重力式擋墻＞面板式土工格柵加筋土擋墻＞廢舊輪胎擋墻＞懸臂式擋墻。

（2）廢舊輪胎擋墻墻后回填料較大豎向沉降發(fā)生在靠近墻面處，豎向沉降在距墻面較遠(yuǎn)處較小，這與懸臂式擋墻的變化是一致的；其余兩種擋墻隨距墻面距離的增大，墻后回填料的豎向沉降逐漸增大，在距墻面較遠(yuǎn)處，逐漸保持平穩(wěn)。懸臂式擋墻、重力式擋墻，廢舊輪胎擋墻、面板式土工格柵加筋土擋墻豎向沉降依次降低。

（3）廢舊輪胎擋墻和重力式擋墻的水平土壓力沿墻頂向下，先增后減，再增又減，其余兩種擋墻的水平土壓力沿墻頂向下，水平土壓力先增后減。