MIDAS-GTS软件在加筋土挡墙中的应用

熊甜甜 杨 博

(1西安思源学院城市建设学院， 陕西 西安 710038；2云南省设计院， 云南 昆明 650000)

本文运用MIDAS-GTS有限元软件建立加筋土挡墙结构二维空间模型，考虑筋带-土之间的相互作用，施工过程土体按不排水条件考虑，分析各种参数对挡墙稳定的影响。

有限元法是一种有效的数值分析方法，在岩土工程学科中有着很大的发展前景。它可以解决非线性问题，易于处理非均质材料，各项异性材料，能适应各种复杂的边界条件，还可考虑基坑开挖设计中的空间效应和时间效应。基坑的分步开挖是普遍的施工方法。有限元分析的实质是将连续的实体变换成为一个离散化的结构物，它由有限多个有限大小的构件在有限多个结点相互联系而组成，这些有限大小的构件称为有限单元，也可简称为单元。单元可以理解为由相互铰接的链杆组成，用结构力学解题方法，逐个分析单元的力与位移关系，再根据边界条件分析整体结构的力与位移关系，从而解出各结点的位移，然后根据这些位移求出各单元的应力和应变。

1 主要研究内容

根据筋-土界面基本参数，利用MIDAS-GTS建立不同铺筋层数加筋土挡墙二维数值模型，分析不同铺筋层数及不同竖向荷载下加筋土挡墙变形、面板弯矩、筋材拉力及土压力分布规律，并将模拟结果与省教育厅课题中室内模型试验实测数据进行对比分析。

2 研究方法与手段

2.1 几何模型

采用MIDAS-GTS分别建立铺筋层数为2层、3层和4层，既筋材竖向间距△H分别为0.16m、0.125m和0.1m的数值模型，模型尺寸与室内模型试验箱尺寸相同。几何模型中地基沿x方向1.5m，y方向0.25m；填土沿x方向1m，y方向0.5m；筋带长度均为0.8m。

2.2 材料本构模型及参数

由于室内模型箱的底板与挡墙面板为钢化玻璃，为了接近实际工况，地基和挡墙面板的基本参数与钢化玻璃参数一样；挡墙填土为标准砂，采用M-C模型；筋材采用MIDAS-GTS中内置的土工格栅单元进行模拟。

在数值模拟中，约束模型底部水平和竖向位移的边界节点，约束模型侧面水平位移，挡墙面板与筋材连接。考虑筋材与填土相互作用，接触面参数设置时，除了设置法向和切向刚度模量外，还需定义筋-土接触面粘聚力和摩擦角。施工过程填土按不排水条件考虑。

2.3 计算结果分析

2.3.1 挡墙总变形

通过数值模拟不同铺筋层数挡墙总变形云图，可以看出，由于地基土强度很大，几乎没有变形，第一层填土在上覆填土及自重作用下变形也很小。土体变形随着填土的增加越来越大，变形最大处发生在挡墙顶部。当铺设的筋材层数较少时，筋材对土体强度的贡献较小，各层填土的变形基本相同。当铺筋层数增加时，挡墙的总变形越来越小，但各层填土的变形差越来越大，各层填土之间出现变形分层现象。

2.3.2 挡墙顶部沉降

铺筋层数对挡墙顶部沉降的影响如图2-3所示，图中横坐标为挡墙顶部距面板水平距离△x与挡墙总长度L之比，纵坐标为挡墙顶部垂直沉降△y与面板总高H之比，竖向外荷载均为0kPa。

通过分析图2-3可知，不同铺筋层数下挡墙顶部沉降实测值与计算值具有相同的变化趋势，实测值与计算值较接近，说明数值模拟结果可以较好地反应实际工况。不同铺筋层数下挡墙顶部沉降的分布形式基本相同，都表现为中间部位沉降小，两侧沉降大。挡墙顶部沉降随着铺筋层数的增加逐渐显小，当铺筋层数为2层时，挡墙顶部沉降最大；铺筋层数为4层时，挡墙顶部沉降最小。

图1 墙顶沉降

图2 挡墙沉降随竖向荷载的变化

如图2-4所示，为了探讨竖向均布荷载对挡墙沉降的影响，分别模拟竖向均布荷载为0kPa、10kPa、20kPa和30kPa下加筋土挡墙的竖向沉降，均布荷载在挡墙顶部为满布形式，挡墙铺筋层数均为3层，既△H均为0.125m。图中横坐标为挡墙顶部距面板水平距离△x与挡墙总长度L之比，纵坐标为挡墙顶部垂直沉降△y与面板总高H之比。

可以看出，挡墙竖向沉降随着上覆均布荷载的增加逐渐增大。当上覆荷载为0kPa时，挡墙沉降最小，且在筋材与面板连接处及筋材端部沉降最大，沉降为中间小两端大的分布形式；上覆荷载为30kPa时，挡墙沉降最大，且沉降量趋于均匀。

3 研究结论

本文利用MIDAS-GTS建立了不同铺筋层数的加筋土挡墙二维数值模型，分析了不同铺筋层数下加筋土挡墙沉降的变化，并将模拟结果与实测结果进行了对比分析，得到如下结论：

不同铺筋层数下挡墙顶部沉降实测值与计算值具有相同的变化趋势，并且实测值与计算值比较接近，说明数值模拟结果可以较好地反应实际工况。挡墙顶部沉降的分布形式基本相同，都表现为中间部位沉降小，两侧沉降大，挡墙顶部沉降随着铺筋层数的增加逐渐显小。

4 展望

本文利用MIDAS-GTS建立了二维加筋土挡墙模型，进行了不同铺筋层数下挡墙变形及受力分析。然而在工程实际当中，加筋土挡墙筋-土复合结构处在复杂的三维应力状态下，因此还需要进一步建立三维加筋土挡墙数值模型，为加筋土挡墙的设计和施工提供更为合理的依据。

[1]中华人民共和国行业标准编写组.JTJ015-91公路加筋土工程设计规范[S].北京：人民交通出版社，1993.

[2]何光春.加筋土工程设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2000.