邱文忠

（新疆兵團(tuán)第六師北塔山牧場(chǎng) 新疆 奇臺(tái) 831815）

1 引言

加筋擋土墻就是在土中加入筋帶增加土體的“準(zhǔn)粘聚力”，使加筋土的強(qiáng)度得到明顯提高。同時(shí)將擋土墻的側(cè)面與筋帶連接在一起，以利用混凝土面板擋住土體的側(cè)向變形，使顆粒土料、加筋條和面板共同作用，形成一個(gè)工程結(jié)構(gòu)體[1-3]。這種結(jié)構(gòu)體是通過(guò)加筋土與土工格柵的聯(lián)合作用來(lái)抵抗外部荷載的，土工格柵周?chē)耐馏w不僅是結(jié)構(gòu)的一部分，同樣也是工程荷載的重要來(lái)源。土工格柵加筋擋土墻由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)軟弱地基的變形能力強(qiáng)、施工方便以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用造型美觀、整潔和不占用空間等特點(diǎn)，在道路和水利工程界得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)加筋擋土墻做了大量的研究[6-9]，統(tǒng)計(jì)分析表明土工格柵加筋擋土墻的加筋效果在不同的土體中存在較大的差異。但是并未指出土工格柵加筋擋土墻的加筋效果受加筋土體材料參數(shù)的變化的影響大小，因此很有必要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探究。同時(shí)，現(xiàn)有的計(jì)算方法只適用于理論計(jì)算，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，并沒(méi)有涉及土體和土工格柵之間的摩擦作用、土體和混凝土擋土墻的變形協(xié)調(diào)以及土工格柵和擋土墻間的三方面的受力協(xié)調(diào)的非線性作用，因此很有必要進(jìn)行這一方面的探究。

2 模型構(gòu)建與工況設(shè)定

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

本文中采用二維的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)加筋擋土墻的模擬，具體計(jì)算模型如圖1。其中，擋墻面板厚度為0.2m，擋土墻高度為6m，擋土墻后填土容重為1800kN/m3。土工格柵帶共有10層，間距0.6m，容許拉應(yīng)力為98kN/m，土工格柵長(zhǎng)度為4.2m，與墻面緊密相連。土體右側(cè)約束Y向位移，底部約束Y向與Z向兩方向位移，擋土墻地基視為剛性地基，不考慮其變形。

2.2 土工格柵以及墻土間接觸的處理

土工格柵在土體中通過(guò)格柵筋條的拉力作用限制土體的變形，而不能承受任何彎矩的作用。本文選取了桿單元對(duì)土工格柵進(jìn)行模擬。它不需要人工劃分其單元，而是系統(tǒng)自動(dòng)劃分單元，并通過(guò)與周?chē)R近節(jié)點(diǎn)之間建立的約束方程來(lái)模擬土體的加筋效應(yīng)。

擋土墻與土體之間始終是以相互接觸無(wú)縫隙的狀態(tài)存在的，而且二者的接觸狀態(tài)呈現(xiàn)明顯的非線性特性。為此，本文采用接觸單元來(lái)模擬墻體與土體之間接觸作用的非線性特性，通過(guò)接觸面之間的粘連來(lái)防止計(jì)算過(guò)程中墻與土的分離。

2.3 計(jì)算工況的設(shè)定

在模擬分析過(guò)程中，混凝土擋土墻采用的是各向同性的線彈性材料，墻后填土采用的是摩爾庫(kù)倫材料，土工格柵帶采用的是各向同性的線彈性材料。土體及擋土墻均使用二維實(shí)體單元來(lái)劃分，土工格柵采用桿單元代替。其中，擋土墻的彈性模量為25500MPa，泊松比為0.167，密度為2400kg/m3；土工格柵的彈性模量為200MPa，泊松比為0.33。

為了全面對(duì)比分析土體各種材料參數(shù)對(duì)土工格柵加筋擋土墻加筋效果的影響，本文以擋土墻的最大側(cè)向位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取土體的泊松比、彈性模量、粘聚力和摩擦角四個(gè)主要參數(shù)為影響因素，進(jìn)行不同條件下的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，以土體泊松比為0.3、彈性模量30MPa、粘聚力10kPa和摩擦角為30°作為加筋土的基礎(chǔ)參數(shù)，采用控制變量的方法對(duì)各個(gè)參數(shù)的影響進(jìn)行逐一分析。

圖1 計(jì)算模型圖

圖2 土體側(cè)向位移分布圖

圖3 泊松比影響關(guān)系曲線

圖4 彈性模量影響關(guān)系曲線

圖5 粘聚力影響關(guān)系曲線

圖6 摩擦角影響關(guān)系曲線

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為了系統(tǒng)地分析土體的各個(gè)參數(shù)對(duì)土工格柵加筋擋土墻加筋效果的影響，筆者采用控制變量的方法對(duì)不同工況下的加筋形式進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。所謂控制變量法即通過(guò)保持加筋土體其他參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)的方法，分別研究加筋土料的彈性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角對(duì)加筋效果的影響規(guī)律。由于在土工格柵加筋擋土墻中，混凝土擋墻的最大側(cè)向位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力在工程設(shè)計(jì)中是作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行考慮的，為此在土體參數(shù)的影響性對(duì)比分析中，本文采用這兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)加筋效果的重要指標(biāo)。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以得到典型工況下土體的側(cè)向位移云圖，如圖2所示。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果不難看出，擋土墻的側(cè)向位移分布狀況基本呈現(xiàn)中間凸出的形式，即中間位移比較大，頂部和底部相對(duì)比較小。擋土墻底部與土體接觸的位置應(yīng)力較大，土工格柵的最大拉應(yīng)力位置也出現(xiàn)在底部格柵上，而且發(fā)生在底部格柵的前端與擋土墻接觸的位置。

3.1 土體泊松比的影響

計(jì)算過(guò)程中，保持土體的彈性模量，粘聚力，摩擦角不變，只改變土體的泊松比，以分析泊松比對(duì)擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力的影響。通過(guò)計(jì)算可以得到擋土墻的側(cè)向最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力隨泊松比的變化關(guān)系曲線如圖3所示。由圖中數(shù)據(jù)可以得出，擋土墻的側(cè)向最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力均隨著泊松比的增大而增大，且呈現(xiàn)近似的線性變化關(guān)系。當(dāng)泊松比變化值為0.1時(shí)，土工格柵最大拉應(yīng)力的最大變化值為24.09kPa，擋土墻的側(cè)向最大位移最大變化值為11.15mm，由此可見(jiàn)加筋土材料的泊松比對(duì)土工格柵的最大拉應(yīng)力和擋土墻的最大位移是比較敏感的，土體的泊松比越小則擋土墻最大位移越小，加筋效果也越好。

3.2 土體彈性模量的影響

計(jì)算過(guò)程中，保持土體的泊松比，粘聚力，摩擦角恒定不變，只改變土體的彈性模量，以分析彈性模量對(duì)擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力的影響。通過(guò)計(jì)算可以得到擋土墻的側(cè)向最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力隨彈性模量的變化關(guān)系曲線如圖4所示。由結(jié)果曲線可以看出：擋土墻最大位移隨彈性模量的增大而減小，說(shuō)明土體越硬，由沉降帶來(lái)的側(cè)向位移越小。而土工格柵的最大拉應(yīng)力則是先增大后又稍稍減小，這一現(xiàn)象表明，隨著土體彈模越來(lái)越大，土工格柵所要約束土體位移的力也越來(lái)越大，但土體彈模大到一定程度，與土工格柵的彈模差距減小，加筋的約束作用相對(duì)減弱，所以拉應(yīng)力稍稍減小。

3.3 土體粘聚力的影響

計(jì)算過(guò)程中，保持土體的泊松比，彈性模量，摩擦角恒定不變，只改變土體的粘聚力，以分析粘聚力對(duì)擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力的影響。通過(guò)計(jì)算可以得到擋土墻的側(cè)向最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力隨泊松比的變化關(guān)系曲線如圖5所示。由計(jì)算曲線可看出擋土墻最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力都隨著粘聚力的增大而減小，其變化過(guò)程為：首先隨著粘聚力的增大，擋土墻最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力都開(kāi)始變??；當(dāng)C=9kPa時(shí)，繼續(xù)增大凝聚力，擋土墻的最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力都不再發(fā)生變化。

3.4 土體摩擦角的影響

計(jì)算過(guò)程中，保持土體的泊松比，彈性模量，粘聚力恒定不變，只改變土體的摩擦角，以分析泊松比對(duì)擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力的影響。通過(guò)計(jì)算可以得到擋土墻的側(cè)向最大位移和土工格柵的最大拉應(yīng)力隨泊松比的變化關(guān)系曲線如圖6所示。由模擬計(jì)算結(jié)果可知，摩擦角改變對(duì)擋土墻最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力的影響與凝聚力改變的結(jié)果相似，只不過(guò)在摩擦角較小時(shí)，擋土墻的最大位移和筋帶最大拉應(yīng)力變化比較劇烈。說(shuō)明擋土墻最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力對(duì)摩擦角在較小范圍內(nèi)變化時(shí)比較敏感，所以對(duì)摩擦角較小的土體，稍微增大摩擦角就能使加筋效果發(fā)生明顯的變化。

4 結(jié)論

本文借助數(shù)值模擬的方法對(duì)土工格柵加筋擋土墻進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)控制變量的方法系統(tǒng)地分析了土的各種材料參數(shù)對(duì)土工格柵加筋效果的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)各種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，總結(jié)了在不同的材料參數(shù)下加筋土擋土墻筋帶和混凝土擋土墻的受力和位移分布規(guī)律，對(duì)今后加筋土擋土墻的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

加筋土的各種材料參數(shù)對(duì)加筋效果也存在不同程度的影響：隨著泊松比的增大擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力均增大；當(dāng)彈性模量E=60MPa時(shí)，彈性模量對(duì)擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力影響最小；總體上來(lái)說(shuō)當(dāng)粘聚力C<10kPa時(shí)，隨著粘聚力的增大擋土墻側(cè)向最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)C>10kPa時(shí)，影響基本不明顯；當(dāng)摩擦角為30°時(shí)，摩擦角對(duì)擋土墻最大位移和土工格柵最大拉應(yīng)力影響最小。陜西水利

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