方國(guó)平 劉宏杰 吳志民

摘 要：加筋擋土墻的動(dòng)力分析是比較復(fù)雜，本文通過建立ANSYS有限元模型，對(duì)比分析地震區(qū)動(dòng)力和靜力作用下加筋擋土墻的填土材料對(duì)擋土墻的位移和軸力的影響分析，得出一些有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：有限元；地震；軸力；位移

0 引言

土的抗拉強(qiáng)度比較低，如果在土內(nèi)摻入或鋪設(shè)適當(dāng)?shù)囊恍┎牧希梢圆煌潭鹊馗纳仆馏w的強(qiáng)度與變形特征。早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們已經(jīng)能夠采用這項(xiàng)技術(shù)并在實(shí)踐中加以應(yīng)用，比如在土中摻入稻草、蘆葦?shù)群?jiǎn)易的加筋材料可用于砌筑墻體和房屋，自在擋土墻中加筋后且應(yīng)用于工程實(shí)際以來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析等諸多方面都做了大量的研究，并得到了大量的研究成果，這很好地促進(jìn)了加筋土技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。由于加筋土擋土墻筋土間作用機(jī)理的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)形式和環(huán)境條件多變性，目前加筋土擋墻仍然處于理論滯后于實(shí)踐階段，尤其是動(dòng)力和抗震方面尤為突出。本文建立有限元模型進(jìn)行加筋擋土墻的靜力和動(dòng)力學(xué)的對(duì)比分析。

1 有限元模型的建立

在有限元分析中，材料的本構(gòu)關(guān)系選取是非常重要的，它決定了計(jì)算分析的正確性和精確性。本項(xiàng)目采用 Drucker-prager彈塑性模型（簡(jiǎn)稱D-P模型）進(jìn)行分析。土體采用4節(jié)點(diǎn)平面矩形單元（PLANE42），加筋體釆用平面單元Plane82單元。所建模型如圖1（單位為m）：

3 加筋擋土墻墻后填料對(duì)擋墻的影響分析

（1）粘聚力對(duì)面板位移和筋帶軸力的影響

模型填土的粘聚力為30 kPa，固定內(nèi)摩擦角 20 度不變，將模型填土的粘聚力分別設(shè)為 5 kPa、10 kPa、20 kPa、30kPa。模型其他參數(shù)和模型相同，對(duì)這4組模型的結(jié)果在靜力和7度地震作用下進(jìn)行比較分析。

由圖2可知：加筋土擋墻位移隨填土的粘聚力的增大而減小，減小幅度隨填土的粘聚力的增大而增大。靜力作用下，填土粘聚力從5 kPa增大為30 kPa，加筋土擋墻最大位移由25mm減小為 12mm，減小 13mm，最大位移發(fā)生在墻體的中部。加筋土擋墻底部位移由 10mm減小為4mm，減小6mm，加筋土擋墻頂部位移由 22mm減小為6mm，減小16mm，而且隨著粘聚力的增加，墻頂位移變化幅度減小。說明加筋擋土墻墻后填土的工程性質(zhì)對(duì)擋墻位移的影響是比較大，但是填土的粘聚力增大到一定程度后墻頂位移減小幅度減小。在7度地震作用下，加筋擋土墻的變形在同一粘聚力下變形較大一些，隨著粘聚力的增加，墻體面板位移變化較大。

（2）粘聚力對(duì)筋帶軸力的影響

由圖3可以看出：隨著填土粘聚力的增大，加筋體的軸力有減小的趨勢(shì)。在靜力作用下，內(nèi)摩擦角從 5kPa開始到30kPa，最大軸力的減小量都比較均勻，筋帶最大軸力由22kN減小為15 kN，減小15 kN，筋帶最小軸力由17kN減小為3 kN，減小14 kN，每種填土粘聚力最大軸力基本上都出現(xiàn)在面板的中下部位，這和擋墻面板的變形一樣，也是變形最大處為中下部位，這說明面板的變形和筋帶的變形是一致的，即面板變形大的地方，筋帶拉力也大，變形小的地方，筋帶拉力也變小。在土的同一粘聚力下，筋帶軸力比在靜力下有所增大，這也主要是墻體變形較大，導(dǎo)致筋帶軸力增加。

（3）內(nèi)摩擦角對(duì)面板位移的影響

模型中填土的內(nèi)摩擦角取20°，固定粘聚力30kPa不變，將模型填土的內(nèi)摩擦角分別改為5°、10°、20°和30°，模型其他參數(shù)和原模型相同，對(duì)這 4 組模型的結(jié)果進(jìn)行靜力和7度地震作用下的比較分析。模型的位移圖。

由圖4可以看出：加筋土擋墻面板位移隨填土內(nèi)摩擦角的增大而減小，減小幅度隨填土內(nèi)摩擦角的增大而增大。在靜力作用下，填土內(nèi)摩擦角由5°增大為30°，加筋土擋墻最大位移由17.5mm減小為11mm，減小6.5mm，加筋土擋墻面板底部和頂部的位移變化都不大，擋土墻的頂部位移變化稍微大了一些。面板頂位移由12mm減小為5mm，減小7mm，面板底由7mm減小為5mm，減小2mm，5°到10°過程中，面板位移變化不大，20°到30°位移變化也不大。曲線貼在一起減幅很小，變形形狀屬于鼓肚型，面板頂部的位移和底部的位移基本相等，變化趨勢(shì)也一致，四組不同內(nèi)摩擦角對(duì)面板位移的影響都表現(xiàn)為位移沿著墻高高度不斷增加，但是在內(nèi)摩擦角增大的過程中，填土總的側(cè)向位移不斷減小，這是因?yàn)橐环矫?，增大?nèi)摩擦角可以減小面板承受的土壓力，從而減小面板的側(cè)向位移。另一方面，按照楔體假設(shè)破壞模型，?的增大可以使墻后楔體β減小，從而減小筋帶自由段長(zhǎng)度，相應(yīng)增加了錨固段長(zhǎng)度，這樣筋帶的拉力段可以更好的發(fā)揮抵抗拔出力作用，減小了面板側(cè)向位移。在7度地震作用下，土的內(nèi)摩擦角相同下，位移增加要比靜力情況下要大。但總的來說變化幅度不是很大。

（4）內(nèi)摩擦角對(duì)筋帶軸力的影響

由圖5可以看出：筋帶拉力隨著填土內(nèi)摩擦角的增加而減小，在靜力總有下，從5°開始到20°筋帶軸力逐漸減小。也就是內(nèi)摩擦角到了10°前后，筋帶拉力變化趨于平穩(wěn)，減小幅度不再明顯，筋帶軸力在面板中下部達(dá)到最大，從20°時(shí)到30°時(shí)筋帶減小的幅度減小比較明顯。從5°增加到30°時(shí)，筋帶軸力最大由13KN減小到6kN，減小7kN，最上一層的筋帶軸力在這四組數(shù)據(jù)中變化不大，總體在1kN到4kN之間浮動(dòng)，底層筋帶變化幅度較大，總體來看，筋帶的拉力比較符合擋墻變形趨勢(shì)，最大拉力和位移都為擋墻中下部。在7度地震作用下，同一內(nèi)摩擦角的填土，筋帶軸力比相應(yīng)的靜力作用下要大。

4 結(jié)論

通過有限元分析得出以下結(jié)論：

（1）填料粘聚力及內(nèi)摩擦角對(duì)擋墻的變形有顯著的影響，隨著填料粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大，墻體最大側(cè)向水平位移逐漸減小。但在動(dòng)力作用下粘聚力對(duì)擋墻位移影響較大，但內(nèi)摩擦角對(duì)擋墻位移影響較小。

（2）填料粘聚力及內(nèi)摩擦角對(duì)擋墻筋帶軸力在靜力作用下也有顯著的影響，隨著填料粘聚力和內(nèi)摩擦角的增大，擋墻筋帶軸力逐漸減小。在動(dòng)力作用下，也表現(xiàn)出結(jié)果是粘聚力增加筋帶軸力增加幅度較大。但內(nèi)摩擦角增加，軸力增加幅度不大。

（3）在地震荷載作用下，加筋土擋墻墻面的橫向變形比靜力作用下要大，地震設(shè)計(jì)烈度增大，位移呈較快增長(zhǎng)，并在墻面呈下小上大分布。

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