土工加筋擋墻結構受力機理的分析

黃海龍

摘 要：本文介紹了加筋土工作原理及利用有限元對土工加筋擋墻結構受力機理進行分析研究，得出土工加筋擋墻結構受力機理的一般規律性，對以后土工加筋擋墻結構設計、施工有一定的指導作用。

關鍵詞：土工加筋；加筋機理；結構受力

Geogrid retaining force structure analysis of the mechanism

Huang Hai-long

（Guangxi Hydrogeology and Engineering Geology Exploration Institute， Guangxi Liuzhou 545006）

Abstract： This paper introduces the working principle and the use of reinforced soil finite element Geogrid retaining force structure analysis of the mechanism， drawn Geogrid retaining force structure mechanism of general regularities of the block after Geogrid wall structural design， construction have a guiding role.

Keywords： Geogrid； reinforcement mechanism； force structure

1.前言

土工加筋技術（Earth Reinforcement）是一種在土工構筑物中或原位土體中埋設抗拉性能較好的材料而使整個土工系統的強度和穩定性等力學性能得到明顯改善的土體加固方法。現代用于支擋結構的加筋土方法是1971由法國建筑師Vidai首創。從1980年以來，開始使用土工格柵用作加筋。在過去的30多年里，37個國家已修建了2萬余座加筋土結構，其面積超過7百萬平方米。

加筋土技術在七十年代引入中國，自1979年第一座8m高加筋土擋墻在云南建成以來，土工加筋技術應用和研究在我國得到了極大重視。并大量推廣應用到公路路堤工程、港口護岸工程、柔性橋臺工程等特殊工作環境下的工程結構中。

2.土工加筋工作原理

1.1加筋土邊坡系統組成

加筋土邊坡支擋結構主要由加筋材料、面層系統和回填材料三大部分組成（見圖2-1）。

1.2摩擦加筋原理

在加筋土結構中，由填土自重和外力產生的土壓力作用于墻面板，通過面板上的拉筋連接件將此壓力傳遞給拉筋，企圖將拉筋從土中拉出。而拉筋材料又被土壓住，于是填土與拉筋之間的摩阻力阻止拉筋被拔出。因此，只要拉筋材料具有足夠的強度，并與土產生足夠的摩阻力，則加筋土體就可以保持穩定。在條帶式加筋土擋墻中，墻體由于受土體的推力產生破壞時（暫將加筋土體看成無加筋土體），依據朗金理論，沿主動破裂面將墻體分為主動區和穩定區。下滑土楔體自重產生的水平推力對每一層拉筋形成拉力，欲將拉筋從土中拔出，而穩定區土體與筋帶的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一層拉筋與土體的摩擦阻力均能抵抗相應的土推力，則整個墻體就不會出現滑動面，加筋土體的內部穩定就有保證。

設每層筋帶所受的土體水平推力為T，則：

式中：σ為法向應力；l為筋帶長度；f為拉筋與土粒間的摩擦系數；b為拉筋筋帶寬度；L2為拉筋在穩定區的長度。

1.3準粘聚力原理

加筋土結構可以看作是各向異性的復合材料，通常采用的拉筋，其彈模遠大于填土。在這種情況下，拉筋與填土的共同作用，包括填土的抗剪力、填土與拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力，使得加筋土的強度明顯提高。圖2-2所示， 加筋后筋土界面上的土工格柵與土之間的表面摩擦力、土工格柵孔內的土與孔外土顆粒與土工格柵的橫向筋肋之間的作用力土之間的表面摩擦力三種摩擦力變化。

圖2-2 土工格柵與土之間的相互作用

3.土工加筋擋墻受力機理分析

3.1計算模型及參數

采用有限元軟件ANSYS[2]來模擬土工加筋擋墻結構受力機理，試驗工程的結構模型如圖3-1所示。

依據試驗工程的實際結構建立有限元模型，周圍土體的計算范圍定義為：沿水平方向和豎直方向延伸3倍坡高，即15m。分析的本構模型選用巖土工程中常用的Drucker-Prager彈塑性模型，在ANSYS中通過DP材料來實現，單元類型選用Plane42單元，Plane42單元是一種4節點的結構實體平面單元，模型網格劃分選用自由網格劃分。根據試驗工程實際的工程地質條件確定有限元模型的材料參數，列于表3-1。

3.2加筋擋墻的有限元分析及結果

3.2.1側向位移分析結果如圖3-2、3-3所示：

（1） 土工格柵加筋有效的減小了邊坡的側向位移。

（2） 加筋邊坡的水平位移分布較均勻，減少了土體的主應力差。如圖3-3（a）中水平位移曲線出現有規律的反復波折，從對應位置可以發現，波谷點即位移相對較大的地方都出現在每一個加筋土層的中間部位，而靠近筋材的土體的水平位移相對有所減小。

3.2.2應力水平分析結果：

（1） 加筋邊坡相對于未加筋邊坡，其平均等效應力減小5.2%。

（2） 對于加筋邊坡，在坡面上各加筋土層中間部位出現了塑性區；對于未加筋邊坡，塑性區集中出現在坡趾點附近。

（3） 加筋邊坡中最大剪應變是未加筋邊坡最大剪應變的25.5%。

3.2.3接觸摩擦力分析結果如圖3-4、3-5所示：

（1） 土工格柵與土之間的接觸基本上都處于粘合狀態。

（2） 每一層土工格柵上的接觸摩擦力從坡內向坡面成拋物線增大。

（3） 淺層土工格柵，承受的拉力較小，介面摩擦力僅在靠近坡面前端發揮出來。

（4） 深層土工格柵，承受的拉力較大，后端土工格柵上的接觸摩擦力逐步成為提供摩阻力的主要區域，這說明土與土工格柵上的摩擦效應的發揮是隨拉力的增大而逐步向坡內沿伸的。

3.2.4安全系數與塑性分析結果如圖3-6所示：

（1）未加筋邊坡的安全系數為1.04，加筋陡坡的安全系數為1.64。

（2）加筋作用的存在，阻斷了趨勢滑移面進一步沿伸到加筋區域。

（3）未加筋邊坡塑性區條帶與接觸摩擦力的峰值點的連線對應。

4.結語

本文對土工加筋工作原理及土工加筋擋墻結構受力機理進行了有限元模擬分析，得出了土工加筋擋墻結構受力機理的規律性。目前，隨著計算機技術及數值計算理論水平的不斷提高，對加筋土擋墻結構受力機理的有限元計算將得到廣泛地應用。因此，如何建立三維有限元模型，使之方法更為簡單，且能更好地反映墻體的應力與應變，筋帶拉力以及筋土之間的相互作用，建立合理的接觸單元，使之更準確地模擬實際情況，為工程的應用提供更準確的理論依據，所以還有待于進一步研究。

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【文章編號】1006-2688（2017）08-0005-05endprint