EPS土工泡沫對擋土墻振動緩沖作用數(shù)值模擬

劉經(jīng)法

1 EPS土工泡沫在擋土墻抗震中應(yīng)用和發(fā)展

EPS(Expanded Polystyrene)土工泡沫具有隔熱性好、自重輕、自立性強、耐久性好、抗震性好等優(yōu)良性能，且其強度可以依工程需要而調(diào)節(jié)。EPS土工泡沫是用于減弱其動力荷載作用在墻體結(jié)構(gòu)上的理想材料。Inglis(1996年)第一次提出使用EPS土工泡沫作為地震緩沖層[1]。Itasca Consulting Group(1996年)通過使用FLAC有限元軟件進行數(shù)值分析得出，在地震作用下，使用土工泡沫緩沖層可以減少墻體上的橫向壓力[2]。在國內(nèi)EPS土工泡沫在擋土墻減震方面的應(yīng)用和可參考的文獻較少。本文基于工程實例，用動力有限元時程分析法對設(shè)置EPS土工泡沫緩沖層的擋土墻進行抗震數(shù)值分析。

2 擋土墻抗震數(shù)值分析

2.1 工程實例簡介

1999年9月21日，中國臺灣省花蓮西南發(fā)生7.3級強烈地震。擋土墻用5塊澆筑混凝土建成，施工縫間沒有經(jīng)過特別處理，在地震中，擋土墻的上部沿著施工縫向外滑移，最上部的兩塊倒向高速公路一側(cè)，破壞區(qū)長達20 m。

2.2 土工泡沫緩沖層設(shè)置方案

為了研究EPS土工泡沫對該重力式擋土墻的動力緩沖作用，假定在擋土墻墻背設(shè)置不同類型和不同厚度的EPS土工泡沫緩沖層，設(shè)置方案如表1所示。

表1 EPS土工泡沫設(shè)置方案表

2.3 有限元數(shù)值分析模型的建立

數(shù)值分析模型如圖1所示，模型由四部分組成:擋土墻、EPS土工泡沫、土體和基巖。土體使用擴展的Drucker-Prager模型，其他三部分采用線彈性模型。數(shù)值分析采用的計算參數(shù)如表2所示。

澆筑混凝土塊體之間、擋土墻與土、擋土墻與EPS土工泡沫、基巖與EPS土工泡沫和EPS土工泡沫與土體的接觸界面設(shè)置摩擦界面，法線方向為硬接觸。界面的摩擦系數(shù)如表3所示。

表2 材料參數(shù)表

表3 各界面摩擦系數(shù)表

2.4 地震波特征及其表征方法

本研究使用著名的埃爾森特羅地震波時程圖(如圖2所示)，其最大加速度在2.12 s處為0.342g，持續(xù)時間16 s，間隔為0.02 s。地震波在基巖的頂部和土體的右邊邊界輸入。

2.5 有限元計算結(jié)果及分析

2.5.1 實例擋土墻破壞模擬

實例在8.6 s時就出現(xiàn)了破壞(見圖 3)，在3—4界面處滑落下來，說明了該墻體結(jié)構(gòu)的抗震能力較差，與實例中的擋土墻在地震中破壞情況基本吻合。

2.5.2 方案一

1)位移分析。圖4為設(shè)置不同厚度時的墻頂位移—加速度—時間關(guān)系圖。模擬中，墻頂?shù)奈灰圃谥饾u的增大，在加速度達到最大時(2.12 s內(nèi))其增幅最大，1.4 m時，墻頂位移變化較小。圖5為設(shè)置不同厚度EPS土工泡沫的最終高度—位移關(guān)系圖。隨著厚度的增加各個混凝土塊位移減小。當大于1.4 m厚度后位移變化不大，位移較小。

2)受力分析。圖6比較了實例模擬結(jié)果與設(shè)置不同厚度EPS土工泡沫時墻塊4，5的水平總壓力。在加設(shè)后，墻塊4，5的墻背水平總壓力都明顯減小，而設(shè)置厚度大于1.4 m時約減少50%，緩沖作用明顯。

2.5.3 方案二

1)位移分析。圖7為設(shè)置不同厚度EPS時墻頂水平位移隨時間的變化情況，在加速度達到最大時(2.12 s內(nèi))其增幅最大，在此之后則增幅較小。圖8為設(shè)置不同厚度EPS土工泡沫的最終高度—位移關(guān)系圖。隨著厚度的增加墻體的各個混凝土塊位移都相應(yīng)的減小。當大于2 m厚度后各混凝土塊間位移變化比較均勻，位移較小。

2)受力分析。圖9為設(shè)置不同厚度時墻塊4，5的水平總壓力與未設(shè)緩沖物結(jié)果比較。加設(shè)后，墻塊4，5的墻背水平總壓力都明顯減小，設(shè)置厚度在3 m時幾乎可以減少50%以上，緩沖效果理想。

3 結(jié)語

1)設(shè)置EPS土工泡沫后的擋土墻減震效果明顯。兩方案都能使該擋土墻沒有發(fā)生滑落破壞。2)墻頂位移、墻體各混凝土塊水平位移都隨EPS土工泡沫的加固厚度的增加而減小。墻體混凝土塊4和5的水平總壓力也隨加固厚度的增加而減小，緩沖效果明顯。3)設(shè)置后墻體混凝土塊4和5的水平總壓力明顯減小。當設(shè)置厚度大于1.4 m時約減少50%。4)方案一的分析結(jié)果表明當設(shè)置厚度1.4 m的EPS土工泡沫較理想，方案二的分析結(jié)果是2.4 m，且它們墻頂最大位移差不多，約0.5 m。因此考慮到開挖及成本，方案一更適合該擋土墻防震設(shè)計。

[1] Inglis D，Macleod G ，Naesgaard E，et al.Basement wall with seismic earth pressures and novel expanded polystyrene foam buffer layer[J].Tenth Annual Symposium of the Vancouver Geotechnical Society ，Vancouver，BC ，Canada，1996(36):22-25.

[2] Itasca Consulting Group.FLAC:Fast Lagrangian Analysis of Continua，version 3.3.Itasca Consulting Group，Inc.，Minneapolis，Minnesota，USA，1996.

[3] Fang Y S，Yang Y C，Chen T J.Retaining walls damaged in the Chi-Chi earthquake[J].Can Geotech J，2003(40):20-22.

[4] 王 釗.土工合成材料[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.