熊甜甜 楊 博

(1西安思源學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院， 陜西 西安 710038；2云南省設(shè)計(jì)院， 云南 昆明 650000)

本文運(yùn)用MIDAS-GTS有限元軟件建立加筋土擋墻結(jié)構(gòu)二維空間模型，考慮筋帶-土之間的相互作用，施工過程土體按不排水條件考慮，分析各種參數(shù)對擋墻穩(wěn)定的影響。

有限元法是一種有效的數(shù)值分析方法，在巖土工程學(xué)科中有著很大的發(fā)展前景。它可以解決非線性問題，易于處理非均質(zhì)材料，各項(xiàng)異性材料，能適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件，還可考慮基坑開挖設(shè)計(jì)中的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。基坑的分步開挖是普遍的施工方法。有限元分析的實(shí)質(zhì)是將連續(xù)的實(shí)體變換成為一個(gè)離散化的結(jié)構(gòu)物，它由有限多個(gè)有限大小的構(gòu)件在有限多個(gè)結(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系而組成，這些有限大小的構(gòu)件稱為有限單元，也可簡稱為單元。單元可以理解為由相互鉸接的鏈桿組成，用結(jié)構(gòu)力學(xué)解題方法，逐個(gè)分析單元的力與位移關(guān)系，再根據(jù)邊界條件分析整體結(jié)構(gòu)的力與位移關(guān)系，從而解出各結(jié)點(diǎn)的位移，然后根據(jù)這些位移求出各單元的應(yīng)力和應(yīng)變。

1 主要研究內(nèi)容

根據(jù)筋-土界面基本參數(shù)，利用MIDAS-GTS建立不同鋪筋層數(shù)加筋土擋墻二維數(shù)值模型，分析不同鋪筋層數(shù)及不同豎向荷載下加筋土擋墻變形、面板彎矩、筋材拉力及土壓力分布規(guī)律，并將模擬結(jié)果與省教育廳課題中室內(nèi)模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2 研究方法與手段

2.1 幾何模型

采用MIDAS-GTS分別建立鋪筋層數(shù)為2層、3層和4層，既筋材豎向間距△H分別為0.16m、0.125m和0.1m的數(shù)值模型，模型尺寸與室內(nèi)模型試驗(yàn)箱尺寸相同。幾何模型中地基沿x方向1.5m，y方向0.25m；填土沿x方向1m，y方向0.5m；筋帶長度均為0.8m。

2.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

由于室內(nèi)模型箱的底板與擋墻面板為鋼化玻璃，為了接近實(shí)際工況，地基和擋墻面板的基本參數(shù)與鋼化玻璃參數(shù)一樣；擋墻填土為標(biāo)準(zhǔn)砂，采用M-C模型；筋材采用MIDAS-GTS中內(nèi)置的土工格柵單元進(jìn)行模擬。

在數(shù)值模擬中，約束模型底部水平和豎向位移的邊界節(jié)點(diǎn)，約束模型側(cè)面水平位移，擋墻面板與筋材連接?？紤]筋材與填土相互作用，接觸面參數(shù)設(shè)置時(shí)，除了設(shè)置法向和切向剛度模量外，還需定義筋-土接觸面粘聚力和摩擦角。施工過程填土按不排水條件考慮。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 擋墻總變形

通過數(shù)值模擬不同鋪筋層數(shù)擋墻總變形云圖，可以看出，由于地基土強(qiáng)度很大，幾乎沒有變形，第一層填土在上覆填土及自重作用下變形也很小。土體變形隨著填土的增加越來越大，變形最大處發(fā)生在擋墻頂部。當(dāng)鋪設(shè)的筋材層數(shù)較少時(shí)，筋材對土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，各層填土的變形基本相同。當(dāng)鋪筋層數(shù)增加時(shí)，擋墻的總變形越來越小，但各層填土的變形差越來越大，各層填土之間出現(xiàn)變形分層現(xiàn)象。

2.3.2 擋墻頂部沉降

鋪筋層數(shù)對擋墻頂部沉降的影響如圖2-3所示，圖中橫坐標(biāo)為擋墻頂部距面板水平距離△x與擋墻總長度L之比，縱坐標(biāo)為擋墻頂部垂直沉降△y與面板總高H之比，豎向外荷載均為0kPa。

通過分析圖2-3可知，不同鋪筋層數(shù)下?lián)鯄敳砍两祵?shí)測值與計(jì)算值具有相同的變化趨勢，實(shí)測值與計(jì)算值較接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地反應(yīng)實(shí)際工況。不同鋪筋層數(shù)下?lián)鯄敳砍两档姆植夹问交鞠嗤急憩F(xiàn)為中間部位沉降小，兩側(cè)沉降大。擋墻頂部沉降隨著鋪筋層數(shù)的增加逐漸顯小，當(dāng)鋪筋層數(shù)為2層時(shí)，擋墻頂部沉降最大；鋪筋層數(shù)為4層時(shí)，擋墻頂部沉降最小。

圖1 墻頂沉降

圖2 擋墻沉降隨豎向荷載的變化

如圖2-4所示，為了探討豎向均布荷載對擋墻沉降的影響，分別模擬豎向均布荷載為0kPa、10kPa、20kPa和30kPa下加筋土擋墻的豎向沉降，均布荷載在擋墻頂部為滿布形式，擋墻鋪筋層數(shù)均為3層，既△H均為0.125m。圖中橫坐標(biāo)為擋墻頂部距面板水平距離△x與擋墻總長度L之比，縱坐標(biāo)為擋墻頂部垂直沉降△y與面板總高H之比。

可以看出，擋墻豎向沉降隨著上覆均布荷載的增加逐漸增大。當(dāng)上覆荷載為0kPa時(shí)，擋墻沉降最小，且在筋材與面板連接處及筋材端部沉降最大，沉降為中間小兩端大的分布形式；上覆荷載為30kPa時(shí)，擋墻沉降最大，且沉降量趨于均勻。

3 研究結(jié)論

本文利用MIDAS-GTS建立了不同鋪筋層數(shù)的加筋土擋墻二維數(shù)值模型，分析了不同鋪筋層數(shù)下加筋土擋墻沉降的變化，并將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)論：

不同鋪筋層數(shù)下?lián)鯄敳砍两祵?shí)測值與計(jì)算值具有相同的變化趨勢，并且實(shí)測值與計(jì)算值比較接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地反應(yīng)實(shí)際工況。擋墻頂部沉降的分布形式基本相同，都表現(xiàn)為中間部位沉降小，兩側(cè)沉降大，擋墻頂部沉降隨著鋪筋層數(shù)的增加逐漸顯小。

4 展望

本文利用MIDAS-GTS建立了二維加筋土擋墻模型，進(jìn)行了不同鋪筋層數(shù)下?lián)鯄ψ冃渭笆芰Ψ治觥Ｈ欢诠こ虒?shí)際當(dāng)中，加筋土擋墻筋-土復(fù)合結(jié)構(gòu)處在復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)下，因此還需要進(jìn)一步建立三維加筋土擋墻數(shù)值模型，為加筋土擋墻的設(shè)計(jì)和施工提供更為合理的依據(jù)。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.JTJ015-91公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1993.

[2]何光春.加筋土工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2000.