加筋土擋墻填土性質(zhì)影響的有限元分析

文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 徐巖

本文采用筋土分離式有限單元法，分析填料性質(zhì)對加筋土擋墻長期工作性能的影響，以期為實(shí)際加筋土工程的施工設(shè)計(jì)提供參考。

工程背景

擬建項(xiàng)目為新疆國道578線墩麻扎至尼勒克公路。該項(xiàng)目與省道315線相交，交叉采用省道315線上跨主線的分離式立體交叉。因省道315線兩側(cè)居民較多，因此，分離式交叉被交線需設(shè)置加筋土擋墻收縮坡腳，以免拆遷大量房屋。

加筋土擋墻長期性能有限元分析模型

幾何模型

由于加筋土擋墻沿路堤中心線對稱，取其一半建立幾何模型，加筋材料長度為6m，擋墻高為10.8m，擋墻寬取半幅路基寬度。為了盡量消除邊界效應(yīng)，地基表面由擋土墻基礎(chǔ)向外延伸3倍擋墻高度，取整35m（見圖1）。限制地基土底部水平和豎向位移，模型右側(cè)限制水平位移，模型左側(cè)只限制地基土的水平位移。地基土和填土采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，具體類型分別為CPE4R和CPE4I，面板則采用梁單元，具體類型為B21。筋材在加筋土結(jié)構(gòu)中主要承受拉力，因此采用一維線性桿單元（T2D2）模擬筋材。

有限元分析模型

材料參數(shù)

地基土為黏性土，地基土采用Mohr-Coulomb模型；面板為混凝土預(yù)制面板，厚度為15cm，采用線彈性模型，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地基、面板的材料參數(shù)

土工格柵采用程序內(nèi)置的黏彈性本構(gòu)模型，該模型基于松弛剪切模量Prony級數(shù)形式的積分型本構(gòu)方程，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 加筋材料粘彈模型參數(shù)

填土為碎石土，采用程序自帶的擴(kuò)展Drucker-Prager模型，為分析填土性質(zhì)對于加筋土擋墻長期工作性能影響，采用9種填土材料進(jìn)行比較分析，并基于室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)研究成果，其基本物理力學(xué)參數(shù)，如表3、表4所示：

表3 填土材料的Drucker-Prager模型參數(shù)

接觸面及計(jì)算過程

面板與填土之間的相互作用，采用摩擦系數(shù)定義的面面接觸。面面接觸是以庫倫摩擦理論為基礎(chǔ)，分為沿接觸面方向、垂直于接觸面方向兩個方向的接觸。垂直接觸面方向采取程序默認(rèn)的“硬接觸”設(shè)置定義，平行于接觸面方向采用摩擦系數(shù)定義。接觸面上的摩擦力大于或等于極限摩擦力，面板與填土間才會出現(xiàn)滑動。

由于土工格柵網(wǎng)眼較大，其與填土存在一定黏聚作用，會發(fā)生嵌入現(xiàn)象，因此要采用嵌入約束。土工格柵與面板接觸的地方采用耦合約束，要確保約束面的自由度與單個參考點(diǎn)一致。計(jì)算過程：首先建立地應(yīng)力分析步，然后建立靜力通用分析步，最后建立黏性分析步。

表4 填土材料的蠕變參數(shù)

計(jì)算結(jié)果比較

計(jì)算得出加筋土擋墻工作運(yùn)營15年后的墻面水平位移、土工格柵最大拉力，并將二者分析比較。

通過比較可以看出：面板水平位移隨內(nèi)摩擦角以及內(nèi)聚力的增加而減小，且摩擦角的增大導(dǎo)致面板側(cè)向位移減小的幅度，明顯大于內(nèi)聚力所引起的。

土工格柵的最大拉力隨填料內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的增加而減小，且摩擦角的增大導(dǎo)致土工格柵拉力減小的幅度要明顯大于內(nèi)聚力所引起的。

填料摩擦角對加筋土擋墻的工作性能有很大影響，但需要指出，在內(nèi)聚力一定時，增大摩擦角雖然能顯著減小側(cè)向位移和土工格柵拉力，但減小的幅度也在逐漸降低，甚至?xí)辉贉p小。