生态加筋土高挡墙数值计算与分析

侯春娇

（安康学院 陕西安康 725000）

生态加筋土高挡墙数值计算与分析

侯春娇

（安康学院 陕西安康 725000）

以某机场生态加筋高挡墙为例，采用ADINA有限元软件建立模型，模拟加筋土挡墙的施工加载过程，从应力、应变、塑性区分布和破裂面形式等角度对比分析加筋与不加筋高挡墙，结果表明：生态加筋能够有效限制挡土墙的侧向变形，但对挡墙整体竖向沉降的较小作用较不明显；加筋还可以使挡土墙内应力分布更均匀，避免应力集中或突变；台阶式加筋土高挡墙的潜在破裂面形式与0.3H破裂面存在较大差异；加筋使挡土墙内塑性区减小，有效地抑制了挡土墙塑性区的发展贯通。

生态加筋土；高挡墙；数值分析

引言

生态加筋土挡土墙是由填土、土工格栅和面层三部分组成，其中面层用填充土的生态袋堆砌而成，利于植草绿化，生态环保[1]。相对于刚性重力式挡土墙，生态加筋土挡墙属于柔性结构，抗震性能良好，具有生态环保、节能，施工简便等优点，大大降低工程造价和缩短工期。目前，已广泛应用于公路、铁路、水利等支挡结构中，取得了显著的经济效益、社会效益以及生态效益。

在工程实践中，挡土墙规模越来越大，出现了多级台阶式高挡墙，其变形特征和破裂面形式不同于单级直立式挡土墙[2]，因此，本文采用有限元软件ADINA建立高挡墙有限元计算模型，模拟挡土墙逐级填筑的加载过程，分析加筋土高挡墙的应力、应变、塑性区分布规律及潜在破裂面形式，可为加筋土高挡墙的设计提供一些参考。

1 工程概况

某机场位于丘陵山区，地势起伏较大，自然坡度在15°～60°之间，局部有陡崖。经现场勘察发现：在边坡填筑标段，广泛分布着煤矸石层，可就地取材作为挡土墙主要使用的填料。挡土墙总高60m，为四级台阶式，每级高度均为15m，错台宽度3m，坡度70°。土体采用钢塑土工格栅加筋，筋材竖向间距0.4m（最底层0.6m）。挡墙坡脚砌筑毛石混凝土扩大基础，用钢筋锚杆与基岩面连接。挡墙无墙面板，利用筋材反包，再用聚丙烯长丝针刺无纺土工布反包植物土护面，外部由钢筋网罩固定。[3]

2 数值计算模型的建立

2.1 本构模型

2.1.1 土体本构

土体变形具有粘弹塑性，但弹塑性模型参数测定困难，实际工程数值计算中很少采用。非线性弹性模型虽然忽略了应力路径等因素的影响，但仍能够较好的模拟土体发生屈服后的非线性变形情况[4]。Mohrcoulomb模型作为非线性弹性模型的代表，其模型参数确定简单，便于计算，适用于本计算中的土体单元。

2.1.2 土工格栅单元本构模型

土工格栅为高强度、高模量的薄片状抗拉材料，抗弯刚度很小，在土中所受到的拉力远远小于其抗拉强度，应变较小时，可将其应力应变关系近似看成线性关系，用一维线弹性杆单元来模拟[5]。

2.1.3 筋土界面单元本构模型

格栅为片状网格，它与土颗粒之间除了较强的摩擦阻抗作用外，还有相互咬合、嵌固作用[6]，现有接触面单元均难以模拟。由于格栅采用了厚度较小的一维rebar单元模拟，不宜在格栅与土体间设置接触面单元，可控制接触节点的自由度，同时将两者自动耦合计算来表达筋土界面[7]。

2.2 计算模型及材料参数

该挡土墙延伸范围较大，因此可视为平面应变问题，建立二维有限元分析模型，模型网格划分如下图1所示。

图1 加筋土高挡墙计算模型

计算范围及边界条件：水平方向从上部挡墙向后部填土取90m（1.5H），墙面向前取20m；竖向向下取20m厚的基岩作为计算范围。在基岩底部和墙后分别进行竖向约束和水平约束，不考虑孔隙水压力和渗透。

荷载情况：仅考虑土体自重荷载。为模拟填土的逐层填筑，自重荷载逐级施加过程，运用ADINA软件中的单元生死功能。实际工程中，挡土墙的填土分层碾压逐级生成，共需148步方能完工。

加筋土挡墙各材料参数见下表1所示。

表1 加筋土高挡墙模型参数表

3 有限元计算结果分析

对比不加筋挡土墙，对加筋土高挡墙的应力、应变、塑性区及潜在破裂面形式进行了分析。除在加筋土高挡墙中采用rebar单元来模拟土工格栅的作用外，二者的计算模型参数及边界条件完全相同。

3.1 位移分布

不加筋土高挡墙计算到第118步（第二级挡墙）便失稳破坏，因此，对加筋和不加筋高挡墙同时刻（直到T=118）的位移情况进行对比分析。

3.1.1 水平位移（Y）

随着填土荷载的逐级施加，加筋土挡墙Ymax位置逐渐上移，在挡墙高度1/3~1/2范围内水平位移较大，而不加筋高挡墙的最大水平位移（Ymax）始终保持在挡墙最底部与墙趾放大基础交界处。下图2、图3分别是T=118时刻加筋与不加筋高挡墙的水平位移云图。

图2 加筋高挡墙水平位移云图

图3 不加筋高挡墙水 平位移云图

T=118时不加筋挡土墙Ymax=49.66cm，而加筋土挡墙仅为Ymax=10.77cm，位于第四级与第三级挡墙交界处，加筋后挡土墙水平位移减小78.3%。同时，不加筋挡土墙的水平位移虽然较大，但主要集中在挡墙表层，挡墙后部及填土几乎没有位移，而加筋后同一高度处挡墙内部水平位移向后逐渐减小，说明土体应力通过筋材向墙体深处传递，从而对土体位移起到约束作用。总体来看：加筋可以大大减小挡土墙的整体水平位移，同时能协调墙体内部水平位移，避免局部水平位移过大而失稳。

3.1.2 竖向位移（Z）

随着填土自重荷载的施加，加筋土挡墙和不加筋挡土墙均有不同程度的压缩沉降。T=118时，加筋与不加筋高挡墙的竖向位移分布见下图4、图5所示。不加筋挡土墙，在墙趾附近发生“鼓包上翘”现象，加筋仅使挡墙土体沉降减小了3.03cm。不加筋挡土墙在墙体上部墙面处沉降较大，而加筋土挡墙较大沉降区在挡土墙0.5H~0.7H墙高处未加筋区域，而在墙体加筋区域沉降不大，说明加筋可以在一定程度上约束挡墙表层的竖向位移，使挡墙墙面表层土体不易向下滑出破坏。总体来看，加筋能够使挡墙墙面表层的沉降有所减小，但对整体沉降的减小作用不明显。

图4 加筋高挡墙竖向位移云图

图5 不加筋高挡墙 竖向位移云图

3.2 加筋土挡墙应力分布

3.2.1 主应力分布

从下图6、图7主应力分布图可看出，加筋土与不加筋高挡墙的主应力最大值与最小值差别不大，挡墙在同一高度上，越靠近墙面挡墙内部所受拉应力越大。加筋土高挡墙内主应力等值线分布较平缓，而不加筋高挡墙主应力等值线在墙体表层有拐点，且拐点沿墙高逐渐向后。说明挡土墙易沿着应力最大处出现滑移破坏。因此，加筋能够有效地改善挡土墙内部的应力分布，确保挡墙的整体稳定性。

图6 加筋挡土墙主应力分布图

图7 不加筋挡土墙主应力分布图

3.2.2 格栅拉力

随填土荷载的增大，格栅拉力增大。总体来看，越靠近挡墙下部，格栅所受拉力越大，在每级挡墙的墙趾处均出现拉力相对较大值。由于每级挡墙错台的卸荷作用，在各级错台端部都存在一定的压应力。

在同一高度上，格栅拉力靠近墙面处较大，向墙后逐渐减小。在每级挡墙中，沿着墙高向上，格栅拉力最大点位置逐渐后移。连接各层格栅的最大拉力点，得到加筋土挡墙的潜在破裂面，见图8中粗实线所示。对照0.3H破裂面发现，加筋多级台阶式挡墙的潜在破裂面与之存在较大差别。

图8 格栅轴向应力分布图

3.3 塑性区分布

对比加筋土挡墙和不加筋挡土墙的塑性区分布图（见图9、10），可以看出：在挡墙土体自重荷载下，加筋土挡墙的塑性区比不加筋挡土墙的塑性区范围明显减小。在T=118时，不加筋挡土墙的塑性区从墙趾向上延伸至墙顶，沿墙高向上逐渐后移形成一个贯通的塑性区带，即挡墙滑裂面。而加筋土挡墙塑性区仅分布在挡墙下部墙趾附近，说明加筋限制了挡墙土体塑性区的发展。

图9 加筋高挡墙塑性区分布图

图10 不加筋高挡墙 塑性区分布图

结语

本文以某机场生态加筋土高挡墙为例进行二维有限元分析，对比分析了加筋与不加筋条件下，挡土墙的应力、应变、破裂面形式与塑性区分布，得出如下结论：

（1）加筋能够大大减小挡墙的水平位移，并使水平位移在墙体内分布均匀；加筋对减小挡墙整体沉降的作用不明显。加筋挡墙高度1/3~1/2范围内水平位移较大，可对该范围内增强加筋作用，也可在挡墙墙趾处设置放大基础，从而限制挡墙侧向位移，增强墙体的稳定性。

（2）加筋能使挡土墙内应力分布相对均匀，从而避免应力突变导致挡土墙局部失稳破坏。

（3）在挡土墙底部，筋材承受拉力较大，为避免拉筋拔出或拉断破坏，可增加筋材铺设长度或选用刚度较大的加筋材料。多级台阶式加筋土高挡墙的潜在破裂面不同于直立式挡墙的0.3H破裂面。

（4）加筋使挡土墙塑性区减小，有效地抑制了挡土墙塑性区的发展贯通乃至破坏，提高了挡土墙的整体稳定性。

[1]张素情、李爱国等，生态环保加筋土挡土墙的应用实例分析[J]，四川建筑，2010.30（6）

[2]周世良、何光春、汪承志、杨成渝，台阶式加筋土挡墙模型试验研究[J]，2007.29(1):152~156

[3]齐文、丁一、梅平，高填方机场加筋挡土墙施工技术与质量控制[J]，路基工程，2010.6:196-198

[4]冯志刚、朱俊高，土工格栅加筋堆石坝的数值模拟研究[J]，2006.27（2）:480~484

[5]钱劲松、凌建明、黄琴龙，土工格栅加筋路堤的三维有限元分析[J]，同济大学学报，2003.31（12）:1421-1425

[6]杨广庆，土工格栅加筋土结构理论及工程应用[M]，2010.北京:科学出版社:310

[7]侯春娇，土工格栅加筋挡墙数值分析与优化设计[D]，杨凌：西北农林科技大学，2012

侯春娇（1986.6-），女，硕士，2012年毕业于西北农林科技大学岩土工程专业，现任职于安康学院，助教。基金项目

安康学院高层次人才专项（2013AYQDZR14）