生態(tài)加筋土高擋墻數(shù)值計算與分析

侯春嬌

（安康學(xué)院 陜西安康 725000）

生態(tài)加筋土高擋墻數(shù)值計算與分析

侯春嬌

（安康學(xué)院 陜西安康 725000）

以某機場生態(tài)加筋高擋墻為例，采用ADINA有限元軟件建立模型，模擬加筋土擋墻的施工加載過程，從應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)分布和破裂面形式等角度對比分析加筋與不加筋高擋墻，結(jié)果表明：生態(tài)加筋能夠有效限制擋土墻的側(cè)向變形，但對擋墻整體豎向沉降的較小作用較不明顯；加筋還可以使擋土墻內(nèi)應(yīng)力分布更均勻，避免應(yīng)力集中或突變；臺階式加筋土高擋墻的潛在破裂面形式與0.3H破裂面存在較大差異；加筋使擋土墻內(nèi)塑性區(qū)減小，有效地抑制了擋土墻塑性區(qū)的發(fā)展貫通。

生態(tài)加筋土；高擋墻；數(shù)值分析

引言

生態(tài)加筋土擋土墻是由填土、土工格柵和面層三部分組成，其中面層用填充土的生態(tài)袋堆砌而成，利于植草綠化，生態(tài)環(huán)保[1]。相對于剛性重力式擋土墻，生態(tài)加筋土擋墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，抗震性能良好，具有生態(tài)環(huán)保、節(jié)能，施工簡便等優(yōu)點，大大降低工程造價和縮短工期。目前，已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利等支擋結(jié)構(gòu)中，取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益以及生態(tài)效益。

在工程實踐中，擋土墻規(guī)模越來越大，出現(xiàn)了多級臺階式高擋墻，其變形特征和破裂面形式不同于單級直立式擋土墻[2]，因此，本文采用有限元軟件ADINA建立高擋墻有限元計算模型，模擬擋土墻逐級填筑的加載過程，分析加筋土高擋墻的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)分布規(guī)律及潛在破裂面形式，可為加筋土高擋墻的設(shè)計提供一些參考。

1 工程概況

某機場位于丘陵山區(qū)，地勢起伏較大，自然坡度在15°～60°之間，局部有陡崖。經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)：在邊坡填筑標(biāo)段，廣泛分布著煤矸石層，可就地取材作為擋土墻主要使用的填料。擋土墻總高60m，為四級臺階式，每級高度均為15m，錯臺寬度3m，坡度70°。土體采用鋼塑土工格柵加筋，筋材豎向間距0.4m（最底層0.6m）。擋墻坡腳砌筑毛石混凝土擴大基礎(chǔ)，用鋼筋錨桿與基巖面連接。擋墻無墻面板，利用筋材反包，再用聚丙烯長絲針刺無紡?fù)凉げ挤窗参锿磷o面，外部由鋼筋網(wǎng)罩固定。[3]

2 數(shù)值計算模型的建立

2.1 本構(gòu)模型

2.1.1 土體本構(gòu)

土體變形具有粘彈塑性，但彈塑性模型參數(shù)測定困難，實際工程數(shù)值計算中很少采用。非線性彈性模型雖然忽略了應(yīng)力路徑等因素的影響，但仍能夠較好的模擬土體發(fā)生屈服后的非線性變形情況[4]。Mohrcoulomb模型作為非線性彈性模型的代表，其模型參數(shù)確定簡單，便于計算，適用于本計算中的土體單元。

2.1.2 土工格柵單元本構(gòu)模型

土工格柵為高強度、高模量的薄片狀抗拉材料，抗彎剛度很小，在土中所受到的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗拉強度，應(yīng)變較小時，可將其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似看成線性關(guān)系，用一維線彈性桿單元來模擬[5]。

2.1.3 筋土界面單元本構(gòu)模型

格柵為片狀網(wǎng)格，它與土顆粒之間除了較強的摩擦阻抗作用外，還有相互咬合、嵌固作用[6]，現(xiàn)有接觸面單元均難以模擬。由于格柵采用了厚度較小的一維rebar單元模擬，不宜在格柵與土體間設(shè)置接觸面單元，可控制接觸節(jié)點的自由度，同時將兩者自動耦合計算來表達(dá)筋土界面[7]。

2.2 計算模型及材料參數(shù)

該擋土墻延伸范圍較大，因此可視為平面應(yīng)變問題，建立二維有限元分析模型，模型網(wǎng)格劃分如下圖1所示。

圖1 加筋土高擋墻計算模型

計算范圍及邊界條件：水平方向從上部擋墻向后部填土取90m（1.5H），墻面向前取20m；豎向向下取20m厚的基巖作為計算范圍。在基巖底部和墻后分別進行豎向約束和水平約束，不考慮孔隙水壓力和滲透。

荷載情況：僅考慮土體自重荷載。為模擬填土的逐層填筑，自重荷載逐級施加過程，運用ADINA軟件中的單元生死功能。實際工程中，擋土墻的填土分層碾壓逐級生成，共需148步方能完工。

加筋土擋墻各材料參數(shù)見下表1所示。

表1 加筋土高擋墻模型參數(shù)表

3 有限元計算結(jié)果分析

對比不加筋擋土墻，對加筋土高擋墻的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)及潛在破裂面形式進行了分析。除在加筋土高擋墻中采用rebar單元來模擬土工格柵的作用外，二者的計算模型參數(shù)及邊界條件完全相同。

3.1 位移分布

不加筋土高擋墻計算到第118步（第二級擋墻）便失穩(wěn)破壞，因此，對加筋和不加筋高擋墻同時刻（直到T=118）的位移情況進行對比分析。

3.1.1 水平位移（Y）

隨著填土荷載的逐級施加，加筋土擋墻Ymax位置逐漸上移，在擋墻高度1/3~1/2范圍內(nèi)水平位移較大，而不加筋高擋墻的最大水平位移（Ymax）始終保持在擋墻最底部與墻趾放大基礎(chǔ)交界處。下圖2、圖3分別是T=118時刻加筋與不加筋高擋墻的水平位移云圖。

圖2 加筋高擋墻水平位移云圖

圖3 不加筋高擋墻水 平位移云圖

T=118時不加筋擋土墻Ymax=49.66cm，而加筋土擋墻僅為Ymax=10.77cm，位于第四級與第三級擋墻交界處，加筋后擋土墻水平位移減小78.3%。同時，不加筋擋土墻的水平位移雖然較大，但主要集中在擋墻表層，擋墻后部及填土幾乎沒有位移，而加筋后同一高度處擋墻內(nèi)部水平位移向后逐漸減小，說明土體應(yīng)力通過筋材向墻體深處傳遞，從而對土體位移起到約束作用。總體來看：加筋可以大大減小擋土墻的整體水平位移，同時能協(xié)調(diào)墻體內(nèi)部水平位移，避免局部水平位移過大而失穩(wěn)。

3.1.2 豎向位移（Z）

隨著填土自重荷載的施加，加筋土擋墻和不加筋擋土墻均有不同程度的壓縮沉降。T=118時，加筋與不加筋高擋墻的豎向位移分布見下圖4、圖5所示。不加筋擋土墻，在墻趾附近發(fā)生“鼓包上翹”現(xiàn)象，加筋僅使擋墻土體沉降減小了3.03cm。不加筋擋土墻在墻體上部墻面處沉降較大，而加筋土擋墻較大沉降區(qū)在擋土墻0.5H~0.7H墻高處未加筋區(qū)域，而在墻體加筋區(qū)域沉降不大，說明加筋可以在一定程度上約束擋墻表層的豎向位移，使擋墻墻面表層土體不易向下滑出破壞?？傮w來看，加筋能夠使擋墻墻面表層的沉降有所減小，但對整體沉降的減小作用不明顯。

圖4 加筋高擋墻豎向位移云圖

圖5 不加筋高擋墻 豎向位移云圖

3.2 加筋土擋墻應(yīng)力分布

3.2.1 主應(yīng)力分布

從下圖6、圖7主應(yīng)力分布圖可看出，加筋土與不加筋高擋墻的主應(yīng)力最大值與最小值差別不大，擋墻在同一高度上，越靠近墻面擋墻內(nèi)部所受拉應(yīng)力越大。加筋土高擋墻內(nèi)主應(yīng)力等值線分布較平緩，而不加筋高擋墻主應(yīng)力等值線在墻體表層有拐點，且拐點沿墻高逐漸向后。說明擋土墻易沿著應(yīng)力最大處出現(xiàn)滑移破壞。因此，加筋能夠有效地改善擋土墻內(nèi)部的應(yīng)力分布，確保擋墻的整體穩(wěn)定性。

圖6 加筋擋土墻主應(yīng)力分布圖

圖7 不加筋擋土墻主應(yīng)力分布圖

3.2.2 格柵拉力

隨填土荷載的增大，格柵拉力增大?？傮w來看，越靠近擋墻下部，格柵所受拉力越大，在每級擋墻的墻趾處均出現(xiàn)拉力相對較大值。由于每級擋墻錯臺的卸荷作用，在各級錯臺端部都存在一定的壓應(yīng)力。

在同一高度上，格柵拉力靠近墻面處較大，向墻后逐漸減小。在每級擋墻中，沿著墻高向上，格柵拉力最大點位置逐漸后移。連接各層格柵的最大拉力點，得到加筋土擋墻的潛在破裂面，見圖8中粗實線所示。對照0.3H破裂面發(fā)現(xiàn)，加筋多級臺階式擋墻的潛在破裂面與之存在較大差別。

圖8 格柵軸向應(yīng)力分布圖

3.3 塑性區(qū)分布

對比加筋土擋墻和不加筋擋土墻的塑性區(qū)分布圖（見圖9、10），可以看出：在擋墻土體自重荷載下，加筋土擋墻的塑性區(qū)比不加筋擋土墻的塑性區(qū)范圍明顯減小。在T=118時，不加筋擋土墻的塑性區(qū)從墻趾向上延伸至墻頂，沿墻高向上逐漸后移形成一個貫通的塑性區(qū)帶，即擋墻滑裂面。而加筋土擋墻塑性區(qū)僅分布在擋墻下部墻趾附近，說明加筋限制了擋墻土體塑性區(qū)的發(fā)展。

圖9 加筋高擋墻塑性區(qū)分布圖

圖10 不加筋高擋墻 塑性區(qū)分布圖

結(jié)語

本文以某機場生態(tài)加筋土高擋墻為例進行二維有限元分析，對比分析了加筋與不加筋條件下，擋土墻的應(yīng)力、應(yīng)變、破裂面形式與塑性區(qū)分布，得出如下結(jié)論：

（1）加筋能夠大大減小擋墻的水平位移，并使水平位移在墻體內(nèi)分布均勻；加筋對減小擋墻整體沉降的作用不明顯。加筋擋墻高度1/3~1/2范圍內(nèi)水平位移較大，可對該范圍內(nèi)增強加筋作用，也可在擋墻墻趾處設(shè)置放大基礎(chǔ)，從而限制擋墻側(cè)向位移，增強墻體的穩(wěn)定性。

（2）加筋能使擋土墻內(nèi)應(yīng)力分布相對均勻，從而避免應(yīng)力突變導(dǎo)致?lián)跬翂植渴Х€(wěn)破壞。

（3）在擋土墻底部，筋材承受拉力較大，為避免拉筋拔出或拉斷破壞，可增加筋材鋪設(shè)長度或選用剛度較大的加筋材料。多級臺階式加筋土高擋墻的潛在破裂面不同于直立式擋墻的0.3H破裂面。

（4）加筋使擋土墻塑性區(qū)減小，有效地抑制了擋土墻塑性區(qū)的發(fā)展貫通乃至破壞，提高了擋土墻的整體穩(wěn)定性。

[1]張素情、李愛國等，生態(tài)環(huán)保加筋土擋土墻的應(yīng)用實例分析[J]，四川建筑，2010.30（6）

[2]周世良、何光春、汪承志、楊成渝，臺階式加筋土擋墻模型試驗研究[J]，2007.29(1):152~156

[3]齊文、丁一、梅平，高填方機場加筋擋土墻施工技術(shù)與質(zhì)量控制[J]，路基工程，2010.6:196-198

[4]馮志剛、朱俊高，土工格柵加筋堆石壩的數(shù)值模擬研究[J]，2006.27（2）:480~484

[5]錢勁松、凌建明、黃琴龍，土工格柵加筋路堤的三維有限元分析[J]，同濟大學(xué)學(xué)報，2003.31（12）:1421-1425

[6]楊廣慶，土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)理論及工程應(yīng)用[M]，2010.北京:科學(xué)出版社:310

[7]侯春嬌，土工格柵加筋擋墻數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計[D]，楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012

侯春嬌（1986.6-），女，碩士，2012年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)巖土工程專業(yè)，現(xiàn)任職于安康學(xué)院，助教。基金項目

安康學(xué)院高層次人才專項（2013AYQDZR14）