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摘要：本文研究了挡土墙与填方土体的相互作用，指出填方土体变形与挡土墙力学分布之间的关系，挡土墙与填方土体脱空后，脱空部分墙体由受压状态变为弯曲受拉状态，同时拉应力与剪应力随脱空深度增大而急剧增加，砌筑挡土墙强度不足时将沿墙体通缝发生破坏。根据高填方场地挡土墙受力与变形特点，提出了相应设计建议，为高填方场地挡土墙受力与变形研究提供了参考依据。
关键词：高填方；挡土墙；力学特征；变形规律；数值模拟
0 引言
挡土墙受力与土体位移相关，目前挡墙设计多采用库仑土压力准则[1]。大量实践表面，高填方地基具有变形量大的特点，挡墙结构与土体之间常出现张拉裂缝，引起挡墙的压力大小与分布改变，导致墙体发生强度破坏或者坡体失稳，并不满足库仑土压力的使用条件。最早对库仑土压力准则提出质疑的是Terzaghi[2]，通过大规模试验获得了极限状态和挡墙变形之间的关系，认为只有当土体水平位移达到一定值，土体产生剪切破坏时，土压力值才是正确的[3]。
研究表明，挡土墙与土体间发生移动时，传统经典土压力理论将不再适用，通过计算机模拟能够较好的分析复杂条件下土与挡土墙的关系，前人研究主要是通过对挡土墙施加强制位移来模拟土体受力情况，并未考虑土与挡土墙相互作用下墙体与土体脱空时挡墙的受力与变形之间的关系。高填方场地具有先期固结速度快、变形量大的特点，对研究挡土墙力学特征与变形规律具有重要意义。
1 挡墙变形工程背景
为了研究黄土地区高填方场地挡墙结构变形特征，现选取某典型挡墙变形区，并根据变形场地的地质条件和岩土工程地质特征，对变形区进行现场调查和钻探取样工作，通过室内土工试验获得了相应物理力学性质参数。
调查发现，别墅南侧土体发生了不均匀沉降，别墅南侧地表沿东、西方向出现多条单独裂隙。随后裂隙不断扩张、贯通，形成大范围张拉裂缝，最大裂缝出现在人工填土与原状土交界的地貌单元分界线位置，缝宽20cm左右，深度超过2m。另外，填方场地与挡土墙差异性变形，沿挡土墙走向方向形成贯通裂缝，最大缝宽超过8cm。
2 填方场地稳定性分析
2.1 建立模型
原直立边坡处于相对稳定状态，填方区与黄土塬的原状土边坡直接接触，填方区最大填方高度超过15m。挡土墙与土体相互作用，土体变形是出现裂缝的直接原因，对填方场地的受力与变形状况研究具有重要意义。为了解填方后边坡地基变形特征及其变形发展规律，本文利用Midas/GTS数值模拟软件对比分析填方区地基土与挡土墙受力变形特性。
根据圣维南原理，确定出变形区影响范围大致为变形区的3倍左右，利用软件建立了1：1单元模型，真实还原了变形区各地层与结构物的物理力学关系。计算模型选用莫尔-库仑强度准则，土层与结构选用实体单元，交界面选用接触单元，模型底部边界铰支、四周边界滑动支撑。
3 挡土墙的变形与受力分析
3.1 挡土墙变形规律
相对于填土，砌体挡墙弹性模量和重度均较大，可将其近似为刚体材料。墙体内部各点位移接近，挡土墙在自重作用下整体沉降了250mm，水平位移较小，可以忽略不计。
3.2 挡墙受力特征
墙面墙顶0~7.5m为拉应力，7~11.5m为压应力。其中最大拉应力发生在距墙顶3.7m处，262.2KPa；最大压应力发生在距墙顶10.3m，177.5KPa。墙背最大主应力曲线与墙面相似，墙面距墙顶0~6.7m为拉应力，6.7~11.5m为压应力。其中最大拉应力发生在距墙顶3.6m位置，91.7KPa；最大压应力发生在距墙顶10.4m，181.9KPa。材料力学第一强度理论（最大拉应力理论）认为，引起材料脆性断裂的因素为最大拉应力，无论什么应力状态下，只要材料内部一点处的最大拉应力 达到单向拉应力的极限拉应力 状态，材料就会发生破坏，其判别条件为 。根据《砌体结构设计规范》（GB50003-2011），MU25砖的弯曲抗拉强度平均值为395KPa，M10砂浆的MU25砖的弯曲抗拉强度平均值为270KPa。对比可知，挡土墙的最大弯曲抗拉强度接近于砂浆弯曲抗拉强度平均值，距墙顶3.7m左右位置挡墙墙面在自身重力作用下有可能发生强度破坏，随后张拉裂隙沿挡墙走向扩展，最终形成断裂带。
不仅拉应力可以引起挡土墙发生破坏，剪应力也可以引起挡墙破坏。上部结构墙背剪应力随土体埋深增大而增大，基础墙背随土体埋深增大而减小。墙背最大剪应力为232.4KPa，位置基本与平台地面平齐。挡墙墙面距墙顶0~3m剪应力随埋深增大而减小，3~9.5m剪应力随埋深增大而增大，9.5m到11.5m剪应力又随埋深的增大而减小，分别在距墙顶3m和9.5m位置出现了最小剪应力（-99.8KPa）和最大剪应力（251.8KPa）。规范（GB50003-2011）给出，烧结砖和砂浆的抗剪强度平均值为与弯曲抗拉强度平均值相等。挡土墙最大剪应力接近也于抗剪强度平均值，说明墙体底部有发生剪切破坏的可能。
4 挡土墙与填方土体的相互作用
4.1脱空前墙体稳定性分析
挡土墙属于被动支护结构，具有抗压不抗拉、不抗剪的特点。在填方土体与挡土墙脱空前，距墙顶0~9.5m为挡墙上部结构，距墙顶9.5~11.5m为挡墙基础部分。挡土墙所受正应力均为压应力，无拉应力。墙背距墙顶0~6m，压应力先增大后减小，在5m处出现极大值，281.3KPa，6~12m压应力随墙体深度增加而增大，最大压应力431.8KPa；整个墙面随墙体埋深增大而增大，距墙顶0~6m压应力变化速率较小，6~12m变化速率增大，最大压应力达到525.9KPa。墙背和墙面的压应力均远小于墙体的抗压强度极限值（10MPa以上）。
坡底以上墙体剪应力基本随距墙顶距离增大而增大，墙面最大剪应力距墙顶9m处，达66.3KPa。坡底以下墙背剪应力随距墙顶距离增大而减小，墙面剪应力随距墙顶距离增大先减小后增大，最大剪应力位于墙体底部，达211.9KPa，在距墙顶9.5m处剪应力出现第二个极大值，达189.2KPa。对比规范（GB50003-2011）可知，脱空情况下墙体剪应力小于抗剪强度极限值。
4.2 脱空后墙体稳定性分析
填方土体与挡土墙脱空后，墙体的应力分布状况显著改变。墙体两面最大主应力由原来的压应力状态变为上部（距墙顶0~7.5m）拉应力、下部（距墙顶7.5~12m）压应力状态，原墙面剪应力主要集中在墙体中部（距墙顶5~9m），脱空后墙面剪应力分布由中部向顶部和底部转移。通常情况下土的侧向压力随埋深增大而增大，挡土墙设计为梯形截面，以满足墙体能够抵抗侧向土压力的要求。当土体与墙体发生脱空时，上部墙体在自重作用下呈现出悬臂结构，剪应力和拉应力同时增大，且随着臂长的增加急剧增大，而上部墙体截面宽度较小，抗弯和抗剪能力较低，极易发生强度破坏。
4.3 填方场地砌筑挡土墙破坏规律
填方场地一般为欠固结土，密实度离散，先期不均匀沉降量大。一般同一高程填方中部土体变形大于周边，不同高程填方中部深部土体变形先于上部土体。深部土体受上部土压力作用发生沉降变形后，上部土体底部压力减小而向下依次变形，自下而上变形相互叠加，填方周边土体在沉降过程中向填方中部扭转变形，使得挡土墙墙背土与挡土墙间形成一定脱空，从而改变了墙体应力分布。
土体与挡墙脱空后，雨水沿脱空区缝隙下渗并带着大量土体，可加剧脱空区范围。砌筑挡土墙为常见的挡土墙支护结构，砌块搭接咬合形成齿缝，未搭接咬合形成通缝。通常情况下，砂浆抗拉强度、抗剪强度以及黏聚力远低于砌块。因此，砌体结构挡土墙一般在自重作用下沿通缝位置破坏。
5 结语
（1）利用Midas/GTS分析了填方场地的稳定性，发现填方场地同时发生不均匀沉降和沿地貌单元分界线的滑移，使得填方体与挡土墙之间由挤压转变为脱空状态，脱空部分墙体成为悬臂结构，受力状态发生改变。
（2）挡土墙与填方土体脱空后，脱空部分墙体由受压状态变为弯曲受拉状态，同时拉应力与剪应力随脱空深度增大而急剧增加。砌筑挡土墙砂浆为墙体强度薄弱材料，强度不足时，将沿墙体通缝破坏。
（3）黄土高填方场地挡土墙设计时，建议减小挡土墙倾角，降低墙体自重弯矩；适当增大挡土墙上部断面尺寸，选择高强度砂浆材料，或设计成格构式钢混结构，以增大墙体上部抗弯、抗剪能力。
参考文献：
[1]龚慈.不同位移模式下刚性挡土墙压力计算方法研究[D].浙江大学，2005
[2]金生吉.高填方多级挡土墙路基沉降规律与稳定性数值模拟研究[D].东北大学，2009
[3]张永兴，陈林.挡土墙非极限状态主动土压力分布[J].土木工程学报，2011，44（4）：112-119