加筋擋土墻在地震作用下的數(shù)值分析

尹杰明

摘? 要：加筋擋土墻是一種在地震災(zāi)害下受影響較小的擋土墻形式，相較于重力式擋土墻，其在地震載荷的破壞下呈現(xiàn)出良好的抗震性能。加筋擋土墻現(xiàn)今已經(jīng)在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但是其缺乏相應(yīng)的力學(xué)研究模型，其動力學(xué)理論主要采用的是擬靜力法，而擬靜力法的應(yīng)用是在眾多的假設(shè)條件下進行的，致使以擬靜力法所建立的加筋擋土墻動力學(xué)分析存在著一定的缺陷性，為解決這一問題可以采用數(shù)值分析法對加筋擋土墻在地震作用下的動力學(xué)模型進行建立與分析，獲取更加真實、可靠的加筋擋土墻動力響應(yīng)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：加筋擋土墻;地震;數(shù)值分析

中圖分類號：TU476.4? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0048-02

Abstract： Reinforced retaining wall is a kind of retaining wall which is less affected by earthquake disaster. Compared with gravity retaining wall， reinforced retaining wall shows good seismic performance under seismic load. Reinforced retaining wall has been widely used in the field of engineering， but it lacks the corresponding mechanical research model， and its dynamic theory mainly adopts quasi-static method. However， the application of the quasi-static method is carried out under many hypothetical conditions， resulting in some defects in the dynamic analysis of the reinforced retaining wall established by the quasi-static method. In order to solve this problem， the dynamic model of reinforced retaining wall under earthquake can be established and analyzed by numerical analysis method， and a more real and reliable dynamic response law of reinforced retaining wall can be obtained.

Keywords： reinforced retaining wall; earthquake; numerical analysis

前言

加筋擋土墻在工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，其動力學(xué)性能相較于重力式擋土墻有著較大的優(yōu)勢，尤其是在地震條件下重力式擋土墻所遭受的破壞較大。加筋擋土墻應(yīng)用較為廣泛，但是其與土的作用機理極為復(fù)雜，在對加筋擋土墻進行動力特性研究時多采用的是擬靜力法，而擬靜力法所取得的研究數(shù)據(jù)受眾多條件的限制，存在著較大的不確定性。在地震動載荷條件下，加筋擋土墻的填土、筋帶與面板平衡體將處于不平衡的狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至于會發(fā)生失穩(wěn)破壞。加筋擋土墻的動力特性與普通填土的動力特性有所差異，采用擬靜力法對加筋擋土墻的動力特性進行數(shù)值分析將會忽視加筋擋土墻中的筋帶與填土在地震力作用條件下的摩擦系數(shù)的變化，從而使得加筋擋土墻的動力特性無法得到完全的顯示。為更好的做好加筋擋土墻在地震作用下的數(shù)值分析需要結(jié)合加筋擋土墻在地震條件下的動力特性，選擇合適的方法完成對于加筋擋土墻的數(shù)值分析。

1 加筋擋土墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與設(shè)計

加筋擋土墻主要包含有三大組成部分：筋帶、填土材料和墻面板。筋帶主要用于平衡擋土墻土體與墻板之間的受力，使得兩者之間的受力更加均衡。同時筋帶鑲嵌入土體內(nèi)與填土之間產(chǎn)生嵌固力，使得土體的抗剪能力和剛度得到較大的提升。筋帶材料主要分為有機材料和無機材料兩大類。填土材料是應(yīng)用于加筋擋土墻的主要材料，填土材料與加筋材料水平交替鋪設(shè)用以產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力。填土材料最優(yōu)的是優(yōu)質(zhì)碎石土。墻面板對加筋擋土墻的外立面美觀度有著直接的影響，由于其長期暴露在外，因此美觀性、耐久性以及排水性能是墻面板選用時首先需要考慮的性能。墻面板根據(jù)材料、形狀、工藝分為多種不同的型號與規(guī)格，在選用時需要結(jié)合墻面板的使用范圍與使用要求進行綜合性的選取。我國在加筋擋土墻的設(shè)計時主要采用的是極限平衡分析法，完成對于加筋擋土墻外部穩(wěn)定性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及排水系統(tǒng)等的計算分析。而對于加筋擋土墻在地震條件下的動力特性則未有完善的資料。為更好的做好加筋擋土墻的設(shè)計，需要積極做好加筋擋土墻在地震條件下動力特性的分析，了解并掌握加筋擋土墻中各參數(shù)對加筋擋土墻抗震性能的影響。以便為加筋擋土墻的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

2 加筋擋土墻的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析

工程項目中所采用的填土抗拉強度和抗剪切性能都較低。通過在填土中加入筋材將能夠有效的提升填土的抗拉和抗剪切能力，加入筋材后將形成土-筋復(fù)合體。這種復(fù)合體在作用力的作用下會產(chǎn)生形變和土體與筋材的偏移，從而使得加筋擋土墻的動力特性發(fā)生變化。筋材作為加筋擋土墻中的受力平衡構(gòu)件，在用力發(fā)生改變時將承受較大的作用力，其與土體之間的應(yīng)力傳遞依靠的是表面摩擦和橫桿的被動阻力。

2.1 加筋擋土墻在地震力作用下所遭受的破壞

結(jié)合加筋擋土墻在地震力作用下所遭受的破壞，其破壞模式主要分為：內(nèi)部破壞和外部破壞。內(nèi)部破壞主要表現(xiàn)為筋材拔出和筋材斷裂;外部破壞主要表現(xiàn)為傾倒破壞、整體滑移和整體推移破壞以及承載面破壞。其中，內(nèi)部破壞的筋材拔出主要是由于筋材與土體之間的摩擦力不足所造成的。

而筋材斷裂則主要是由于作用于筋材上的作用力超過了筋材所能承受的極限。加筋擋土墻在地震條件下的破壞模式與其他類型的擋土墻相一致。

2.2 加筋擋土墻穩(wěn)定性計算

2.2.1 外部穩(wěn)定計算

加筋擋土墻外部破壞模式主要有傾倒破壞、整體滑移和整體推移破壞以及承載面破壞。加筋擋土墻的水平滑移阻力主要來自于加筋擋土墻底或加筋擋土墻筋帶與土壤之間的摩擦力。加筋擋土墻滑移力來自于地震波的水平載荷。在加筋擋土墻外部穩(wěn)定性計算上需要計算抗平面滑移安全系數(shù)，在計算出安全系數(shù)無法滿足安全要求時可以通過增加加筋擋土墻中的筋材長度的方式在增大安全系數(shù)，通過重復(fù)計算直至滿足安全要求。在外部穩(wěn)定計算中還需要對加筋擋土墻的抗傾覆安全系數(shù)、地基承載力、整體穩(wěn)定性等的數(shù)值進行計算，確保加筋擋土墻滿足安全要求。

2.2.2 加筋擋土墻內(nèi)部穩(wěn)定計算

在計算加筋擋土墻內(nèi)部穩(wěn)定性時，假定加筋擋土墻土體破裂，加筋擋土墻筋帶受到地震載荷的直接作用，筋帶將承受最大拉力。由于筋帶屬于不可拉伸，分布于筋帶的拉力線，起點在墻踵，并以與加筋擋土墻呈一定水平夾角的方向向加筋擋土墻土體內(nèi)部延伸，在距離墻0.3H寬度時，垂直向上延伸直至加筋擋土墻頂面。在加筋擋土墻設(shè)計時需要對加筋擋土墻筋材的抗拉強度、抗拔能力進行計算，確保其在安全系數(shù)要求的范圍內(nèi)。

3 地震條件下加筋擋土墻建模分析

本次構(gòu)型將采用Mohr-Coulomb模型，該模型具有良好的計算效率，是一種建立塑性模型常用的模型構(gòu)型。建模分析時使用FLAC軟件內(nèi)嵌土工格柵單元對地震載荷作用下加筋擋土墻中筋材與填土之間的相互作用力。模擬分析時作用于土工格柵單元的作用力為水平方向的摩擦剪切力，而在法線方向的作用力則需要依靠相鄰單元的材料特性，總體來說，作用于土工格柵單元上的作用力應(yīng)由有效側(cè)限應(yīng)力與總剪切應(yīng)力組合而成。土工格柵單元與周邊單元的相互作用力需要考慮到界面剪切特性和粘結(jié)摩擦特性，綜合切向剛度、粘結(jié)力、摩擦角及有效側(cè)限應(yīng)力等幾個力學(xué)參數(shù)來共同決定。在計算土工格柵單元與周邊介質(zhì)的相對位移時主要是土工格柵單元與節(jié)點相連區(qū)域的位移場來確定和計算的。作用于土工格柵單元節(jié)點上的法向運動需要與周邊介質(zhì)的運動趨勢相一致。

作用于土工格柵單元上的地震力在建模時需要將地震波的加速度、速度時程等轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力時程，以應(yīng)力時程作為土工格柵單元上的激勵。建模時所采用的地震波為Elecntro地震波，該地震波的持續(xù)時間長、頻譜較大，能夠在各類隨機振動模型中發(fā)揮出良好的功用。該地震波南北和東西方向的加速度峰值分別為341.7cm/s2和210.1cm/s2，第一卓越頻率為1.47Hz。為更好的反應(yīng)地震波的頻譜特性，需要對所實際測得的地震波進行濾波和基線校正。

4 地震波作用下加筋擋土墻的數(shù)值分析

在完成了加筋擋土墻在地震載荷作用下的建模后，需要對加筋擋土墻在地震動載荷激勵作用下的響應(yīng)進行分析，用以評價加筋擋土墻的穩(wěn)定性是否滿足要求。數(shù)值分析將從計算參數(shù)和擋土墻型式兩個方面對加筋擋土墻的動力特性進行評價。通過固定其余參數(shù)變動地震動峰值加速度來測算加筋擋土墻內(nèi)填土隨時間變動工況參數(shù)。而后通過固定地震波參數(shù)，并改變加筋擋土墻的參數(shù)（高度和填土類型）等來確定加筋擋土墻在不同結(jié)構(gòu)類型下的地震動載荷響應(yīng)。

在數(shù)值分析時，需要將加筋擋土墻模型以2米高程為間隔設(shè)置加筋擋土墻地震動載荷響應(yīng)的監(jiān)測點，記錄加筋擋土墻模型在地震動載荷作用下的水平應(yīng)力、平面剪應(yīng)力的時程曲線。加筋擋土墻模型的地震激勵響應(yīng)會獲取大量的數(shù)據(jù)，為分析加筋擋土墻的地震響應(yīng)，需要對加筋擋土墻內(nèi)填土在X/Z方向的最終位移云圖、5s特征時刻加速度云圖、20s特征時刻塑性區(qū)云圖等進行重點關(guān)注。為分析加筋擋土墻穩(wěn)定性變化，需要對加筋擋土墻內(nèi)填土在地震時的X、Z方向的速度時程、位移時程曲線等進行記錄和分析。

結(jié)合建模分析數(shù)據(jù)，地震時作用于加筋擋土墻上的土壓力呈現(xiàn)出如下特征，地震前土壓力呈現(xiàn)為上小下大的梯形分布，同時受面板剛度較大的影響，加筋擋土墻表層土體受拉力較大。地震力作用在加筋擋土墻填土上時，最大土壓力出現(xiàn)在加筋擋土墻底部，并隨著高度升高而振幅減弱，并在超過加筋擋土墻4/5高程時變化趨于穩(wěn)定。上述數(shù)值表明加筋擋土墻中填土在地震作用下具有向坡外臨空面的運動趨勢，而筋材則通過與土體之間的摩擦作用限制了土體的水平運動。作用于加筋擋土墻上的剪應(yīng)力表現(xiàn)為總體減小的趨勢，僅在擋土墻最低點表現(xiàn)為反向增大的趨勢。這一數(shù)值表明水平作用于加筋擋土墻上的地震振動加大了板后填土的水平運動趨勢，而由于加筋擋土墻中筋帶的拉力作用使得加筋擋土墻中的填土對于板的土壓力在逐步加大，并使得板與填土之間的豎向相對運動趨勢明顯減小，從而導(dǎo)致加筋擋土墻中筋與土體之間的剪應(yīng)力明顯減少。分析加筋擋土墻在地震作用下的位移特征后表面，加筋擋土墻在地震發(fā)生是具有獨立的保持自身位置的趨勢，其振動幅度小于加筋擋土墻下部的地基土體。加筋擋土墻在地震時整體性表現(xiàn)良好，運動呈現(xiàn)為整體性運動，位于筋帶加固區(qū)域外的土體則變現(xiàn)為不同的運動特性，整體性運動較差，具有明顯的水平位移運動趨勢。

5 結(jié)束語

加筋擋土墻在工程領(lǐng)域中應(yīng)用較多也較為廣泛，做好加筋擋土墻在地震條件下的動力學(xué)分析將有助于在加筋擋土墻設(shè)計中有針對性的加強加筋擋土墻的抗震性能。確保加筋擋土墻能夠在地震條件下獲得較好的保存。本文在分析加筋擋土墻動力學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對加筋擋土墻在地震條件下的動力學(xué)特性進行了分析介紹，并對地震條件下的動力學(xué)特性進行了數(shù)值分析。

參考文獻：

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