基于FLAC3D加筋格賓擋土墻數值模擬分析

楊貞貞，安美運，伯彥萍，梁凱圣，牟碧洲

(1.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 55000；2.中建有限責任公司，北京 100000)

在1984年，格賓擋墻使用在防洪治理項目上，在2007年，Ethekwini市KwaZUlu-Natal將加筋格賓擋土墻應用于海岸工程的支護中。由于加筋格賓擋土墻具有施工簡易、占地少、造價低廉、柔性強、抗震性能好、建筑高度不受限制以及對地基變形的適應性良好等優點，在公路、鐵路、河道以及機場等高填方工程中的應用越來越廣泛。加筋格賓擋土墻的支擋原理是利用加筋材料和填料之間的摩擦作用來限制土體的變形，進而在一定程度上提高土體的抗剪強度。近年來，由于加筋格賓擋土墻自身具備較好的防洪能力、生態及景觀功能而被廣泛應用于河道治理中，其已將現代水利工程學、生物科學、環境學等融為一體，對景觀河道以及人水和諧起到重大作用。這一結構形式在河道工程應用中取得了較好的成效，但對這種新型擋土墻結構的力學特性和安全穩定性研究還未全面深入，開展加筋格賓擋土墻的研究分析能填補相應的空白。

圖1 加筋格賓擋土墻

加筋格賓擋土墻的安全性計算通常采用剛體極限平衡方法和數值計算方法。剛體極限平衡理論簡單明了，但未考慮土體的彈塑性破壞特性，適用于地質簡單的邊坡穩定性計算。數值計算方法通常是根據安全系數的定義，劃分單元網格進行計算。該方法具有計算精確、可考慮彈塑性破壞特性的優點，目前國內外已有很多學者進行了相關研究。加筋格賓擋土墻如圖1所示。

本文以貴州省劍河清水江防洪堤項目為例，基于FLAC3D下的數值計算法研究加筋格賓擋土墻的力學特性及安全穩定性，并結合擋土墻施工過程及不同河道水位下工作情況，數值擬合不同參數對加筋格賓擋土墻影響結果合理性，揭示各工況、不同參數下擋土墻的力學特性及安全穩定性。

1 模型建立及驗證

1.1 基本原理及計算模型

1.1.1基本原理

本文基于FLAC3D分析研究加筋格賓擋土墻的安全穩定性，計算方法類似利用強度折減法分析計算，通過不斷對巖土體強度指數c和φ值折減，推出新的抗剪強度指標c′和φ′，邊坡穩定狀態會逐漸接近極限狀態，則滑裂面達到極限平衡狀態的抗滑力與滑動力之比即為安全系數。

τ=c′+σtanφ′

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，c、φ—黏聚力，內摩擦角；c′，φ′—巖土體極限平衡狀態時黏聚力，內摩擦角；σ、τ—主應力、剪應力。

通過確定安全系數的大致范圍K∈[Ka，Kb](Ka

1.1.2工況設計

本次模型結合實際工程情況，分析施工以及不同河道水位運行過程中，得出不同參數下的力學特性以及安全穩定性。本次工況分為4組，第1組(G1工況)試驗工況是用純土制備試驗邊坡。第2組(G2工況)試驗工況是增設加筋格賓擋土墻，是第1組(G1工況、不設格賓)的對照組。第3組(G3工況)試驗工況是在第1組(G1工況)試驗工況上用相似材料代替20cm厚度的基巖面，對比無基巖面的工況模型試驗規律。第4組(G4工況)試驗工況是在第3組的基礎上增設加筋格賓擋土墻，并且按照實際施工方法，將擋土墻嵌入基巖面鋪設加筋格賓擋土墻。具體的模型工況見表1。

1.1.3本構模型

FLAC3D軟件提供了19種初始單元模型，并且這些初始單元模型對建立規整的三維巖土體模型具有快速、方便的功效。

表1 模型工況表

在程序模擬過程中，選擇一個合適的本構模型不僅可以使模擬結果更加符合實際況，而且在運行過程中會更加流暢。為了尋求更好的本構模型，在建模之前參考了程序中關于本構模型的介紹，本次模擬選擇莫爾-庫倫本構模型。

1.1.4幾何模型

本次模型選取貴州省劍河清水江防洪堤項目的邊坡模型，本工程采用加筋格賓擋墻對堤防邊坡進行防護，擋墻基礎放置在密實砂礫石層上或巖石層上，加筋格賓擋墻由2.0m×1.0m×1.0m(長×寬×高)的加筋格賓堆砌而成，面墻每升高1m退臺0.25m(形成1∶0.25的邊坡)，本次在模擬過程中對格賓擋墻模型進行了優化。

在FLAC3D中建立模型首先利用BuildingBlocks對模型進行初步的建立，如圖2所示。在此基礎上對模型進行提前分組，以便后期參數賦值等操作。

圖2 利用BuildingBlocks建立模型

數值模擬中關于加筋格賓面層的模擬，是采用FLAC3D中的Geogrid模塊中專門的土工格柵單元，土工格柵結構元素是三節點、平面和有限元素。土工格柵元素表現為各向同性或正交各向異性的線性彈性材料，沒有失效極限。筋帶視為可承受拉伸作用的線彈性體，用Geogrid單元離散。本文利用彈塑性模型來描述筋-土界面的性質，從而模擬筋土的相互作用。

利用BuildingBlocks建立模型后，將模型導入Model Panes界面，按照上述參數對筋帶面進行定義。如圖3所示。在此界面板塊對模型進行適當的修正和處理后，將模型從該板塊中導出并保存文件，在后期的命令流建模中導入這些文件。

圖3 利用Model Panes優化模型

對于各個工況中的水位線，利用實驗所得到的數據，進行水位浸潤線的空間模型建立。在浸潤線的建立過程中用到了Rhinoceros5.0軟件，部分浸潤線如圖4所示。

圖4 G2、G3工況浸潤線

在建立好模型和水位線后，利用FLAC3D命令流對模型設定邊界條件約束及賦予數值，設置好參數后進行計算，最終導出計算結果數據和云圖后再對計算結果進行分析。

1.1.5參數選取

加筋格賓擋土墻中的土體、格賓等材料參數特性如實選取，具體材料參數值見表2。模型建立后對各材料賦予參數特性值，對其進行模型驗證及模擬研究分析。

1.2 模型驗證及數值模擬分析

1.2.1數值模擬與模型試驗結果驗證

本次驗證是選取室內試驗中G1、G2、G3工況中的部分傳感器測試結果與數值模型分析結果進行比較，具體成果如圖5所示。

綜上，從試驗數據與模擬數據分析對比中可得試驗數據和模擬數據變化方向一致，變化增長率總體上較為合理。在數值大小上，兩者差值較小。因此，本次數值模擬能夠預測不同試驗工況模型的相關結果，對工程前期設計及實際應用具有重要的指導意義。

表2 材料特性

圖5 傳感器數值模擬與室內試驗結果對比

1.2.2數值模擬分析

在不同水位的影響下，采用FLAC3D分析增設基巖、邊坡材料、格賓擋土墻下的總位移、最大剪應力、孔隙水壓力以及安全系數等結果，從結果中進一步分析加筋格賓擋土墻的力學特性與安全穩定性。

(1)各工況模擬結果

①不同工況位移結果分析

從圖6—9可得，各工況隨著水位的變化，邊坡的總體滑動面和總位移趨勢存在較大變化。各個模擬結果中的變化趨勢基本相同，擋土墻坡腳處總位移最大，底部及坡頂位移較小，坡面及坡腳處位移數值較大。圖中明顯呈現帶狀區域，滑裂面呈現圓弧型。隨著水位的升高，圓弧型滑裂面朝x負方向移動。隨著基礎、邊坡支護的條件提高，圓弧型滑裂面朝x正方向移動。

圖6 G1工況各水位總位移云圖

圖7 G2工況各水位總位移云圖

圖8 G3工況各水位總位移云圖

圖9 G4工況各水位總位移云圖

從圖10可得，隨著水位的逐漸升高，擋土墻總位移呈現先降低后緩慢增大的趨勢，G1工況總位移最大，G2工況總位移次之，G3、G4工況總位移差別不大，其中G4工況的總位移最小。受到加筋格賓以及基巖面的影響，擋土墻的總位移隨著水位的上升趨于穩定，變化較小。水在低水位時對擋土墻的總位移影響較大，在較高水位時水對擋土墻的影響將減小，因0.325m的低水位恰好漫過坡腳處，由此可得出水對坡腳的浸潤可使坡體位移明顯減小，說明水對坡腳的影響極大。高水位變化時，水位上升，總位移也小幅度增大。依據位移云圖與數值分析可得，坡腳及邊坡坡面至坡體內部浸潤區域為位移最大區域，屬于模擬結果位移最大區域，在實踐工程需要對此重點實施加固措施。

基巖層在試驗模型邊坡中對于位移影響最大，增設加筋格賓支護影響次之，兩者結合的模型邊坡位移最小。因此，在實踐工程中，基礎條件好的情況下，增設加筋格賓支護可有效減小邊坡的位移。

圖10 不同工況下的總位移變化圖

②不同工況數值模擬應力分析

從圖11可得，G4工況最大剪應力最大，G3工況次之，然后是G2工況，G1工況剪應力最小。隨著水位上升，剪應力逐漸增大。

圖11 不同工況下的最大剪應力變化圖

在邊坡的模擬分析過程中，基巖層對于剪應力的減小影響最大，其次加筋格賓對于剪應力的減小也起到重要作用。在保證邊坡為增設加筋格賓支護的基礎上，基礎為基巖層的情況下，會使得剪應力隨著水位的變化保持平穩，剪應力在洪水位設計工況時稍有增大。

③不同工況數值模擬孔隙水壓力分析

根據圖12—15，可得出孔隙水壓力隨著水位升高而逐漸增大。根據數值模擬孔隙水壓力隨著水位的增加，最大孔隙水壓力位置向內部蔓延，由于水流從右側邊界滲入，數值模擬依據試驗結果的浸潤線設置水位，坡面區域孔隙水壓力增加，坡體內部綠色區域面積緩慢增長，孔隙水壓力沿著坡面爬升方向增大。

圖12 G1工況各水位孔隙水壓力云圖

圖13 G2工況各水位孔隙水壓力云圖

圖14 G3工況各水位孔隙水壓力云圖

圖15 G4工況各水位孔隙水壓力云圖

從圖16可得，孔隙水壓力數值大小在各工況下相差不大，增長變化趨勢幾乎相同，G4工況孔隙水壓力較小，G1工況孔隙水壓力增長最快，G2孔隙水壓力與G3工況變化基本一致。

加筋格賓擋土墻在數值模擬中對于孔隙水壓力變化影響最大，基巖層對于孔隙水壓力的變化影響次之。在增設有加筋格賓支護，同時基礎為基巖層的情況下，會大大減小水流入滲坡體的速度，進而減小坡體內的孔隙水壓力。

圖16 不同工況下的孔隙水壓力變化圖

(2)安全穩定性分析

在水位變化的過程中，各工況的安全系數排序為：G4工況﹥G3工況﹥G2工況﹥G1工況。G1工況在水位為0.325m時，安全系數小于1.3，G2工況在水位為0.515m時，安全系數小于1.3，可得到水位變化影響下的危險水位。G3、G4工況的安全系數具有近似的趨勢，都是隨著水位的升高，安全系數逐漸增大，在G4工況在水位為0.815m時，安全系數出現降低的趨勢。如圖17所示。

圖17 不同工況下的安全系數變化圖

綜上，在增設格賓支護、基巖的情況下，隨著水位的上升，可有效提高格賓擋土墻安全系數；當邊坡無格賓支護的情況下，水位的上升可降低擋墻的安全穩定性。

(3)破壞方式分析

在無水時，4組工況均發生整體破壞，這是由于坡體各區域土體密度及其他性質區別不大，土體不易發生局部破壞。隨著水位的上升，G1、G2工況開始從整體破壞轉變為局部破壞，G3、G4工況仍為整體破壞。隨著水位(0～0.815m)的上升過程中，在無格賓支護的工況下，水先從土體表面浸潤至土體內部，由于坡面相對較陡，水會降低土體的內聚力，導致發局部破壞；在同時增設格賓以及基巖的G3、G4工況下，格賓支護和基巖能夠較好的阻礙作用。從分析來看，坡腳等薄弱區首先會發生破壞，因此在設計及施工過程中，在坡腳及面板處可考慮加筋格賓支護。

各工況的破壞方式見表3。

表3 各工況的破壞方式

擋墻坡腳下由于存在水壓力作用以及坡體上部無格賓加固措施，使得上部較為容易破壞。純土加格賓工況現象異于其他工況是因為水的浸潤作用使得格賓區域土體整體達到飽和狀態，從而整體發生剪切破壞。在土體中增設格賓能夠很好地減少水的浸潤作用，使得擋墻產生局部破壞。在擋墻中使用格賓支護使得格賓擋土墻出現整體破壞，可以在最底層的格賓和土層接觸面進行一定的土表鑿毛或其他防止底層格賓和土表發生相對滑動的措施。

2 結論

通過分析加筋格賓擋土墻的力學特性、安全穩定性以及破壞機制，可得出以下結論：

(1)基巖層對于擋土墻位移影響最大，加筋格賓支護對于位移的影響次之，兩者結合的模型工況下邊坡位移最小，擋土墻的安全穩定性最好。

(2)基巖層在模型邊坡中對于剪應力變化影響最大，增設加筋格賓支護對于剪應力的變化也起到重要作用。在保證加筋格賓擋土墻的基礎上，增設基巖層會使得剪應力變化先平穩，在應對洪水位變化時稍有增大，但依然在試驗許可范圍內。

(3)加筋格賓擋土墻在試驗模型邊坡中對于孔隙水壓力變化影響最大，基巖層對于孔隙水壓力的變化也起到一定作用，在保證邊坡為加筋格賓擋土墻的基礎上，基礎為基巖層的情況下，會大大減小坡體入滲速度，降低坡體孔隙水壓變化，以免出現負孔隙水壓力現象，從而產生平行裂縫，保持坡體穩定。

(4)各工況的安全系數排序為：G4工況﹥G3工況﹥G2工況﹥G1工況，加筋格賓在試驗模型邊坡的穩定起到決定性作用，基巖層在邊坡位移以力學特性上的影響較大，兩者結合的模型試驗邊坡加筋格賓擋土墻占主導地位。