自嵌式挡墙在地震区的应用

　　挡土墙是在港口、交通、水利、路桥等生命线工程中的一种常见的构筑物。在地震过程中,挡土墙遭到破坏是非常常见的。强度不一的地震可能会引起挡土墙变形、局部破坏甚至坍塌。历史上,由于地震引发的挡土墙破坏事例屡见不鲜,给社会造成了很大的经济损失,这在许多地震事例中可以看出。由于地震的破坏性及其诸多因素的难以确定性,一些规范规定在设防烈度为Ⅶ度及以上的地区需校核地震时挡土墙的稳定性。因此,如何解决挡土墙在地震区不遭到破坏是地震结构工程中重要的课题之一,已引起足够的重视。

　　随着人们对挡土墙理论和实践的不断深入，专家开始呼吁建立新型柔性结构工程来减少地震带来的损失。一种新型的自嵌式挡土墙应运而生，它是在长城干垒的基础上开发的另一种结构，该挡墙的优越性之一在于它是柔性结构。从局部来看它是加筋土挡墙，面板采用大小、形状、重量一致的混凝土预制块干垒而成，加筋材料采用土工格栅。传统加筋土挡墙的面板采用的是大型混凝土面板浇筑而成，加筋材料采用钢带；从整体来看这种结构是一种新型的拟重力式挡墙，它主要依靠挡土块块体、填土通过加筋带连接构成的复合体自重来抵抗动静荷载（所谓的动荷载就是指汽车荷载、地震荷载等），达到稳定的作用，见图1。因自嵌式挡土墙是柔性结构，所以它对地形地质条件不提出特别的要求，任何需要挡土的地方，如园林、护坡、护堤、高速公路、立交桥等，均可以使用。另外，它尺寸比较小，重量比较轻，交通不便的地方也可以进行施工，无须用起吊机械。




图1 自嵌式挡墙的典型截面图

　　地震作用前,挡墙和土体具有最初初始应力状态，在三维地震动作用下，沿挡墙截面上的挡土墙、土体反应较为明显。挡土墙与墙背填土将产生相互作用。墙背填土通常选择透水性较大的砂土、砾石、碎石砂土、有时可能为弱粘性土、甚至就是粘性土(如就地取材)等，这些回填土将使挡土墙背产生附加的动土压力和动土剪力,其大小与墙后土体的变形和墙体位移及位移形式有关，同时在墙背填土中产生地震动的放大效应。当土体变形和墙体位移较小时，墙后土体处于弹性状态，按线性粘弹性模型计算是适宜的。当挡墙平移或转动较大、墙背填土放大效应明显时，在回填土内会产生裂隙，在裂隙界面将不可能继续传递能量，这时墙背土体在地震作用下进入弹塑性状态。进而，在墙背填土中会形成一个薄弱面(破坏面或裂隙面)，甚至多个破坏面。挡土墙底土体处于明显的塑性状态，挡土墙墙前土体甚至产生隆起等现象，这样支离的几个部分，其动力非线性相互作用异常复杂，发生摩擦、碰撞、粘合、再分离等复杂的界面特性。挡土墙在地震惯性力、基底作用力、地震动土压力、地震动土剪力、墙前土作用力(若有墙前覆盖土层)等产生滑移、提离、沉降、倾斜等复杂的力学行为。墙背砂土震密沉降甚至产生多条裂缝或薄弱带，而粘性填土可能只发生沉降。砂土动力有效内摩擦角在不断的变化着，挡土墙周围土体中动应力不断地重分布，地震作用结束，挡土墙周围产生残余应力(砂土存在残余有效内摩擦角)，其残余应力的大小可能比静止主动土压力(初始应力)大，特殊情况下也可能会小于初始应力状态。最终，由于土体本身具有与时间效应有关的蠕变和松弛等特性，其残余土压力也会随着时间而缓慢变化着。挡墙在地震作用下的破坏形式如下图






图2 挡墙在地震作用下的破坏形式

　　根据自嵌式挡墙的破坏模式在设计分析时除了传统挡墙所要求的外部稳定分析和内部稳定分析以外，还要增加局部稳定分析。考虑到自嵌式挡土墙墙背12°倾角的影响，在地震区根据朗金理论破裂面，采用Mononobe-Okabe理论的基本假设，可推导出地震加速度沿自嵌式挡土墙高度均匀分布和线性分布两种情况下的地震土压力强度、地震土压力合力和地震土压力合力作用点的理论公式，用来在地震作用下进行挡墙设计分析。对于局部稳定分析则主要计算三个方面：挡土块与拉结网片的连接强度、挡土块之间的抗剪强度和顶部无加筋的抗倾覆计算。其中挡土块之间的抗剪强度是靠块与块之间的锚固棒、块体孔隙中的级配碎石、独特的后缘结构来提供，在地震荷载作用下，挡墙的整体刚度较小，由于层与层之间无砂浆，所以块体之间有较大的灵活性，可以适当地移动以卸载，来消除地震对挡墙产生的影响。同时由于自身的柔性特点，对小规模基础沉陷或遇到短暂的非常荷载组合（如碰撞、水位骤降等）时具有相当高的适应能力。

　　自嵌式挡土墙作为一种新型结构，由于作为面板的混凝土自嵌块是由工厂化生产，采用国际先进砌块生产线，高压振动成型、加入颜料具备各种色彩、经机械劈裂形成天然质感，所以挡墙外形美观、颜色丰富、施工便捷。最主要的是作为一种柔性结构，具有较好的抗震性能，抗震性能是重力式和衡重式挡土墙所无法比拟的，在地震区有很好的发展前景，能充分发挥其“以柔克刚”的特性，而且工程造价也比浆砌片石挡土墙要低廉得多，值得研究推广。目前在中国地震灾后重建中使用的有云南普洱市思茅河、鄱阳湖二期工程。在日本、美国的地震活动区得到广泛使用，同时更适合余震多的地区因为它可以重复使用。