地震作用下影響加筋擋土墻性質的有限元分析

方國平 劉宏杰 吳志民

摘 要：加筋擋土墻的動力分析是比較復雜，本文通過建立ANSYS有限元模型，對比分析地震區(qū)動力和靜力作用下加筋擋土墻的填土材料對擋土墻的位移和軸力的影響分析，得出一些有益的結論。

關鍵詞：有限元；地震；軸力；位移

0 引言

土的抗拉強度比較低，如果在土內(nèi)摻入或鋪設適當?shù)囊恍┎牧?，可以不同程度地改善土體的強度與變形特征。早在遠古時代，人們已經(jīng)能夠采用這項技術并在實踐中加以應用，比如在土中摻入稻草、蘆葦?shù)群喴椎募咏畈牧峡捎糜谄鲋w和房屋，自在擋土墻中加筋后且應用于工程實際以來，國內(nèi)外許多學者從理論、試驗及數(shù)值模擬分析等諸多方面都做了大量的研究，并得到了大量的研究成果，這很好地促進了加筋土技術的發(fā)展和應用。由于加筋土擋土墻筋土間作用機理的復雜性、結構形式和環(huán)境條件多變性，目前加筋土擋墻仍然處于理論滯后于實踐階段，尤其是動力和抗震方面尤為突出。本文建立有限元模型進行加筋擋土墻的靜力和動力學的對比分析。

1 有限元模型的建立

在有限元分析中，材料的本構關系選取是非常重要的，它決定了計算分析的正確性和精確性。本項目采用 Drucker-prager彈塑性模型（簡稱D-P模型）進行分析。土體采用4節(jié)點平面矩形單元（PLANE42），加筋體釆用平面單元Plane82單元。所建模型如圖1（單位為m）：

3 加筋擋土墻墻后填料對擋墻的影響分析

（1）粘聚力對面板位移和筋帶軸力的影響

模型填土的粘聚力為30 kPa，固定內(nèi)摩擦角 20 度不變，將模型填土的粘聚力分別設為 5 kPa、10 kPa、20 kPa、30kPa。模型其他參數(shù)和模型相同，對這4組模型的結果在靜力和7度地震作用下進行比較分析。

由圖2可知：加筋土擋墻位移隨填土的粘聚力的增大而減小，減小幅度隨填土的粘聚力的增大而增大。靜力作用下，填土粘聚力從5 kPa增大為30 kPa，加筋土擋墻最大位移由25mm減小為 12mm，減小 13mm，最大位移發(fā)生在墻體的中部。加筋土擋墻底部位移由 10mm減小為4mm，減小6mm，加筋土擋墻頂部位移由 22mm減小為6mm，減小16mm，而且隨著粘聚力的增加，墻頂位移變化幅度減小。說明加筋擋土墻墻后填土的工程性質對擋墻位移的影響是比較大，但是填土的粘聚力增大到一定程度后墻頂位移減小幅度減小。在7度地震作用下，加筋擋土墻的變形在同一粘聚力下變形較大一些，隨著粘聚力的增加，墻體面板位移變化較大。

（2）粘聚力對筋帶軸力的影響

由圖3可以看出：隨著填土粘聚力的增大，加筋體的軸力有減小的趨勢。在靜力作用下，內(nèi)摩擦角從 5kPa開始到30kPa，最大軸力的減小量都比較均勻，筋帶最大軸力由22kN減小為15 kN，減小15 kN，筋帶最小軸力由17kN減小為3 kN，減小14 kN，每種填土粘聚力最大軸力基本上都出現(xiàn)在面板的中下部位，這和擋墻面板的變形一樣，也是變形最大處為中下部位，這說明面板的變形和筋帶的變形是一致的，即面板變形大的地方，筋帶拉力也大，變形小的地方，筋帶拉力也變小。在土的同一粘聚力下，筋帶軸力比在靜力下有所增大，這也主要是墻體變形較大，導致筋帶軸力增加。

（3）內(nèi)摩擦角對面板位移的影響

模型中填土的內(nèi)摩擦角取20°，固定粘聚力30kPa不變，將模型填土的內(nèi)摩擦角分別改為5°、10°、20°和30°，模型其他參數(shù)和原模型相同，對這 4 組模型的結果進行靜力和7度地震作用下的比較分析。模型的位移圖。

由圖4可以看出：加筋土擋墻面板位移隨填土內(nèi)摩擦角的增大而減小，減小幅度隨填土內(nèi)摩擦角的增大而增大。在靜力作用下，填土內(nèi)摩擦角由5°增大為30°，加筋土擋墻最大位移由17.5mm減小為11mm，減小6.5mm，加筋土擋墻面板底部和頂部的位移變化都不大，擋土墻的頂部位移變化稍微大了一些。面板頂位移由12mm減小為5mm，減小7mm，面板底由7mm減小為5mm，減小2mm，5°到10°過程中，面板位移變化不大，20°到30°位移變化也不大。曲線貼在一起減幅很小，變形形狀屬于鼓肚型，面板頂部的位移和底部的位移基本相等，變化趨勢也一致，四組不同內(nèi)摩擦角對面板位移的影響都表現(xiàn)為位移沿著墻高高度不斷增加，但是在內(nèi)摩擦角增大的過程中，填土總的側向位移不斷減小，這是因為一方面，增大內(nèi)摩擦角可以減小面板承受的土壓力，從而減小面板的側向位移。另一方面，按照楔體假設破壞模型，?的增大可以使墻后楔體β減小，從而減小筋帶自由段長度，相應增加了錨固段長度，這樣筋帶的拉力段可以更好的發(fā)揮抵抗拔出力作用，減小了面板側向位移。在7度地震作用下，土的內(nèi)摩擦角相同下，位移增加要比靜力情況下要大。但總的來說變化幅度不是很大。

（4）內(nèi)摩擦角對筋帶軸力的影響

由圖5可以看出：筋帶拉力隨著填土內(nèi)摩擦角的增加而減小，在靜力總有下，從5°開始到20°筋帶軸力逐漸減小。也就是內(nèi)摩擦角到了10°前后，筋帶拉力變化趨于平穩(wěn)，減小幅度不再明顯，筋帶軸力在面板中下部達到最大，從20°時到30°時筋帶減小的幅度減小比較明顯。從5°增加到30°時，筋帶軸力最大由13KN減小到6kN，減小7kN，最上一層的筋帶軸力在這四組數(shù)據(jù)中變化不大，總體在1kN到4kN之間浮動，底層筋帶變化幅度較大，總體來看，筋帶的拉力比較符合擋墻變形趨勢，最大拉力和位移都為擋墻中下部。在7度地震作用下，同一內(nèi)摩擦角的填土，筋帶軸力比相應的靜力作用下要大。

4 結論

通過有限元分析得出以下結論：

（1）填料粘聚力及內(nèi)摩擦角對擋墻的變形有顯著的影響，隨著填料粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大，墻體最大側向水平位移逐漸減小。但在動力作用下粘聚力對擋墻位移影響較大，但內(nèi)摩擦角對擋墻位移影響較小。

（2）填料粘聚力及內(nèi)摩擦角對擋墻筋帶軸力在靜力作用下也有顯著的影響，隨著填料粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大，擋墻筋帶軸力逐漸減小。在動力作用下，也表現(xiàn)出結果是粘聚力增加筋帶軸力增加幅度較大。但內(nèi)摩擦角增加，軸力增加幅度不大。

（3）在地震荷載作用下，加筋土擋墻墻面的橫向變形比靜力作用下要大，地震設計烈度增大，位移呈較快增長，并在墻面呈下小上大分布。

參考文獻

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