基于FLAC-2D的加筋格賓單元尺寸組合研究

沈應(yīng)龍, 莫子奮, 柳哲權(quán), 吳文忠

(江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六五大隊(duì)，江西 鷹潭 335001)

加筋格賓擋土墻是一項(xiàng)方興未艾的支擋技術(shù)，由格賓技術(shù)與加筋土技術(shù)結(jié)合發(fā)展而來，其相比于傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)類型，具有整體安全性、滲透性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)[1]，并且綠色環(huán)保，美觀可靠，得到了國內(nèi)外工程領(lǐng)域的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于公路河道護(hù)坡、邊坡支擋、地災(zāi)治理等領(lǐng)域中，因此，對其進(jìn)行研究是非常有必要的。FLAC是由美國Itasca公司開發(fā)的二維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，也稱為FLAC-2D[2]，它可以采用有限差分求解方法來處理眾多有限元程序難以解決的巖土體等工程材料的強(qiáng)烈非線性問題，特別擅長于針對大變形、強(qiáng)烈非線性及系統(tǒng)物理不穩(wěn)定系統(tǒng)等破壞現(xiàn)象的力學(xué)描述和模擬。本文將從不同加筋格賓單元的尺寸組合對擋土墻支擋效果和經(jīng)濟(jì)投入的影響對比出發(fā)，以FLAC-2D作為研究工具，對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的尺寸條件展開研究。

1 加筋格賓擋土墻分析模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 計(jì)算模型的建立

結(jié)合施工實(shí)際及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，且在研究工作需要的基礎(chǔ)上，對分析模型進(jìn)行了簡化，為了找到最優(yōu)加筋格賓單元的規(guī)律，本文設(shè)計(jì)從不同的加筋格賓單元的尺寸組合出發(fā)進(jìn)行對比分析。結(jié)合市場常見規(guī)格及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以格賓網(wǎng)箱的尺寸和加筋筋網(wǎng)的長度為研究對象，格賓網(wǎng)箱尺寸選擇為1.0 m×1.0 m、0.5 m×0.5 m、1.0 m×0.5 m(寬×高)；加筋筋材長度選擇為3 m、5 m、7 m。共對9組尺寸組合進(jìn)行建模計(jì)算(表1)。

設(shè)計(jì)的加筋格賓擋土墻模型如圖1所示(圖示加筋長度以3 m為例)。模型高9.0 m，墻面坡度為1∶0.5，格賓網(wǎng)箱及筋材均采用FLAC-2D中的Strip結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型底部邊界采用固定邊界，兩側(cè)邊界采用X方向單向約束邊界，材料均采用“莫爾—庫倫”力學(xué)模型。

圖1 加筋格賓擋土墻分析模型

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

在數(shù)值分析過程中，材料參數(shù)的選取對模擬計(jì)算的真實(shí)性、準(zhǔn)確性影響很大，本文參數(shù)基于地災(zāi)治理工程項(xiàng)目——南城縣麻姑山雕像山體地質(zhì)災(zāi)害治理工程，并根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)條件對參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。本計(jì)算模型范圍內(nèi)各巖土體包括墻背填土、格賓網(wǎng)箱填石、基巖。填土采用砂性土為填料，填石采用卵石、片石或塊石，基巖巖性為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

表2 填土、基巖物理力學(xué)參數(shù)表

表3 填石物理力學(xué)參數(shù)表

加筋格賓單元是由機(jī)器編織的雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)面經(jīng)組合而成的工程構(gòu)件，包括格賓網(wǎng)箱與拉筋網(wǎng)面兩個(gè)組成部分(如圖2)，其材料物理力學(xué)參數(shù)見表4。

圖2 加筋格賓單元構(gòu)件示意圖

表4 加筋格賓材料物理力學(xué)參數(shù)

2 FLAC-2D模擬計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 模擬計(jì)算

將九組加筋格賓單元尺寸組合邊坡模型分別導(dǎo)入FLAC-2D程序中進(jìn)行模擬計(jì)算，最終得到剪應(yīng)變分布云圖，如圖3、圖4，計(jì)算成果數(shù)據(jù)見表5，九組尺寸組合的邊坡隨加筋長度遞增安全系數(shù)變化趨勢見圖5。

圖3 三類格賓網(wǎng)箱尺寸邊坡剪應(yīng)變分布云圖(筋長取 Ⅰ 型)

圖4 三類加筋長度邊坡剪應(yīng)變分布云圖(格賓網(wǎng)箱尺寸取A型)

表5 邊坡模型計(jì)算成果數(shù)據(jù)

注：豎向位移以豎直朝上為正，反之為負(fù)；橫向位移以水平朝向邊坡為正，反之為負(fù)。

圖5 安全系數(shù)變化趨勢折線圖

2.2 結(jié)果分析

(1)其他條件相同時(shí)，隨加筋長度增加邊坡穩(wěn)定性得到提升，但提升幅度呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，因此，存在最優(yōu)加筋長度，在達(dá)到該長度之前可以通過增加加筋長度有效提高擋土墻穩(wěn)定性，超出該長度則無法充分發(fā)揮筋材強(qiáng)度，降低治理效益。在邊坡加筋治理工程中，應(yīng)通過計(jì)算比較以確定最優(yōu)加筋長度。

(2)從剪應(yīng)變分布云圖可以看出，加筋格賓擋土墻破壞時(shí)邊坡滑裂面呈現(xiàn)以格賓面墻中下端為前緣，圓弧形延伸至墻背填土面的特征，并且滑裂面前緣為變形最大部位，此種變形特征在墻體體現(xiàn)為鼓脹式變形，因此，相比傳統(tǒng)剛性支擋結(jié)構(gòu)，加筋格賓擋土墻具備柔性支擋的優(yōu)點(diǎn)，可伴隨邊坡產(chǎn)生一定變形從而釋放墻后土壓力，保證邊坡穩(wěn)定。

(3)在相同加筋長度條件下，計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)出B組加筋格賓擋土墻的穩(wěn)定性比A組好，而C組又比B組好的規(guī)律。即采用小尺寸的格賓網(wǎng)箱或者高寬比小的格賓網(wǎng)箱斷面均有助于提升擋土墻的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文探討了加筋格賓擋土墻設(shè)計(jì)中格賓網(wǎng)箱、加筋網(wǎng)面的不同尺寸對擋土墻穩(wěn)定程度的影響，采用FLAC-2D有限差分?jǐn)?shù)值模擬分析軟件對九組尺寸組合進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論有：

(1)加筋格賓擋土墻的變形表現(xiàn)為鼓脹式變形，體現(xiàn)了柔性支擋的優(yōu)點(diǎn)，擋土墻可伴隨邊坡產(chǎn)生一定程度的變形從而釋放墻后土壓力，保證邊坡穩(wěn)定。

(2)為提高加筋格賓擋土墻穩(wěn)定程度，在加筋格賓單元中，應(yīng)通過計(jì)算比較以確定合理的加筋長度，過短穩(wěn)定性不足，過長則無法充分發(fā)揮筋材強(qiáng)度且治理效益差，并且采用小尺寸或高寬比小的格賓網(wǎng)箱斷面有助于提升擋土墻的穩(wěn)定性。