土体材料参数对土工格栅加筋挡土墙的影响性分析

邱文忠

（新疆兵团第六师北塔山牧场 新疆 奇台 831815）

1 引言

加筋挡土墙就是在土中加入筋带增加土体的“准粘聚力”，使加筋土的强度得到明显提高。同时将挡土墙的侧面与筋带连接在一起，以利用混凝土面板挡住土体的侧向变形，使颗粒土料、加筋条和面板共同作用，形成一个工程结构体[1-3]。这种结构体是通过加筋土与土工格栅的联合作用来抵抗外部荷载的，土工格栅周围的土体不仅是结构的一部分，同样也是工程荷载的重要来源。土工格栅加筋挡土墙由于其结构简单、适应软弱地基的变形能力强、施工方便以及经济实用造型美观、整洁和不占用空间等特点，在道路和水利工程界得到了广泛的应用[2-5]。

国内外学者针对加筋挡土墙做了大量的研究[6-9]，统计分析表明土工格栅加筋挡土墙的加筋效果在不同的土体中存在较大的差异。但是并未指出土工格栅加筋挡土墙的加筋效果受加筋土体材料参数的变化的影响大小，因此很有必要针对这一问题进行探究。同时，现有的计算方法只适用于理论计算，用于指导工程设计，并没有涉及土体和土工格栅之间的摩擦作用、土体和混凝土挡土墙的变形协调以及土工格栅和挡土墙间的三方面的受力协调的非线性作用，因此很有必要进行这一方面的探究。

2 模型构建与工况设定

2.1 计算模型的构建

本文中采用二维的数值计算方法对加筋挡土墙的模拟，具体计算模型如图1。其中，挡墙面板厚度为0.2m，挡土墙高度为6m，挡土墙后填土容重为1800kN/m3。土工格栅带共有10层，间距0.6m，容许拉应力为98kN/m，土工格栅长度为4.2m，与墙面紧密相连。土体右侧约束Y向位移，底部约束Y向与Z向两方向位移，挡土墙地基视为刚性地基，不考虑其变形。

2.2 土工格栅以及墙土间接触的处理

土工格栅在土体中通过格栅筋条的拉力作用限制土体的变形，而不能承受任何弯矩的作用。本文选取了杆单元对土工格栅进行模拟。它不需要人工划分其单元，而是系统自动划分单元，并通过与周围临近节点之间建立的约束方程来模拟土体的加筋效应。

挡土墙与土体之间始终是以相互接触无缝隙的状态存在的，而且二者的接触状态呈现明显的非线性特性。为此，本文采用接触单元来模拟墙体与土体之间接触作用的非线性特性，通过接触面之间的粘连来防止计算过程中墙与土的分离。

2.3 计算工况的设定

在模拟分析过程中，混凝土挡土墙采用的是各向同性的线弹性材料，墙后填土采用的是摩尔库伦材料，土工格栅带采用的是各向同性的线弹性材料。土体及挡土墙均使用二维实体单元来划分，土工格栅采用杆单元代替。其中，挡土墙的弹性模量为25500MPa，泊松比为0.167，密度为2400kg/m3；土工格栅的弹性模量为200MPa，泊松比为0.33。

为了全面对比分析土体各种材料参数对土工格栅加筋挡土墙加筋效果的影响，本文以挡土墙的最大侧向位移和土工格栅的最大拉应力为主要评价指标，选取土体的泊松比、弹性模量、粘聚力和摩擦角四个主要参数为影响因素，进行不同条件下的数值计算。计算过程中，以土体泊松比为0.3、弹性模量30MPa、粘聚力10kPa和摩擦角为30°作为加筋土的基础参数，采用控制变量的方法对各个参数的影响进行逐一分析。

图1 计算模型图

图2 土体侧向位移分布图

图3 泊松比影响关系曲线

图4 弹性模量影响关系曲线

图5 粘聚力影响关系曲线

图6 摩擦角影响关系曲线

3 计算结果对比分析

为了系统地分析土体的各个参数对土工格栅加筋挡土墙加筋效果的影响，笔者采用控制变量的方法对不同工况下的加筋形式进行了数值计算。所谓控制变量法即通过保持加筋土体其他参数不变，只改变其中一个参数的方法，分别研究加筋土料的弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角对加筋效果的影响规律。由于在土工格栅加筋挡土墙中，混凝土挡墙的最大侧向位移和土工格栅的最大拉应力在工程设计中是作为主要设计参数进行考虑的，为此在土体参数的影响性对比分析中，本文采用这两个参数作为评价加筋效果的重要指标。

通过数值计算可以得到典型工况下土体的侧向位移云图，如图2所示。由数值计算结果不难看出，挡土墙的侧向位移分布状况基本呈现中间凸出的形式，即中间位移比较大，顶部和底部相对比较小。挡土墙底部与土体接触的位置应力较大，土工格栅的最大拉应力位置也出现在底部格栅上，而且发生在底部格栅的前端与挡土墙接触的位置。

3.1 土体泊松比的影响

计算过程中，保持土体的弹性模量，粘聚力，摩擦角不变，只改变土体的泊松比，以分析泊松比对挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力的影响。通过计算可以得到挡土墙的侧向最大位移和土工格栅的最大拉应力随泊松比的变化关系曲线如图3所示。由图中数据可以得出，挡土墙的侧向最大位移和土工格栅的最大拉应力均随着泊松比的增大而增大，且呈现近似的线性变化关系。当泊松比变化值为0.1时，土工格栅最大拉应力的最大变化值为24.09kPa，挡土墙的侧向最大位移最大变化值为11.15mm，由此可见加筋土材料的泊松比对土工格栅的最大拉应力和挡土墙的最大位移是比较敏感的，土体的泊松比越小则挡土墙最大位移越小，加筋效果也越好。

3.2 土体弹性模量的影响

计算过程中，保持土体的泊松比，粘聚力，摩擦角恒定不变，只改变土体的弹性模量，以分析弹性模量对挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力的影响。通过计算可以得到挡土墙的侧向最大位移和土工格栅的最大拉应力随弹性模量的变化关系曲线如图4所示。由结果曲线可以看出：挡土墙最大位移随弹性模量的增大而减小，说明土体越硬，由沉降带来的侧向位移越小。而土工格栅的最大拉应力则是先增大后又稍稍减小，这一现象表明，随着土体弹模越来越大，土工格栅所要约束土体位移的力也越来越大，但土体弹模大到一定程度，与土工格栅的弹模差距减小，加筋的约束作用相对减弱，所以拉应力稍稍减小。

3.3 土体粘聚力的影响

计算过程中，保持土体的泊松比，弹性模量，摩擦角恒定不变，只改变土体的粘聚力，以分析粘聚力对挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力的影响。通过计算可以得到挡土墙的侧向最大位移和土工格栅的最大拉应力随泊松比的变化关系曲线如图5所示。由计算曲线可看出挡土墙最大位移和土工格栅的最大拉应力都随着粘聚力的增大而减小，其变化过程为：首先随着粘聚力的增大，挡土墙最大位移和土工格栅最大拉应力都开始变小；当C=9kPa时，继续增大凝聚力，挡土墙的最大位移和土工格栅的最大拉应力都不再发生变化。

3.4 土体摩擦角的影响

计算过程中，保持土体的泊松比，弹性模量，粘聚力恒定不变，只改变土体的摩擦角，以分析泊松比对挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力的影响。通过计算可以得到挡土墙的侧向最大位移和土工格栅的最大拉应力随泊松比的变化关系曲线如图6所示。由模拟计算结果可知，摩擦角改变对挡土墙最大位移和土工格栅最大拉应力的影响与凝聚力改变的结果相似，只不过在摩擦角较小时，挡土墙的最大位移和筋带最大拉应力变化比较剧烈。说明挡土墙最大位移和土工格栅最大拉应力对摩擦角在较小范围内变化时比较敏感，所以对摩擦角较小的土体，稍微增大摩擦角就能使加筋效果发生明显的变化。

4 结论

本文借助数值模拟的方法对土工格栅加筋挡土墙进行了数值模拟，通过控制变量的方法系统地分析了土的各种材料参数对土工格栅加筋效果的影响。在此基础上，对各种工况下的计算结果进行了详细的对比分析，总结了在不同的材料参数下加筋土挡土墙筋带和混凝土挡土墙的受力和位移分布规律，对今后加筋土挡土墙的设计提供了参考依据。

加筋土的各种材料参数对加筋效果也存在不同程度的影响：随着泊松比的增大挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力均增大；当弹性模量E=60MPa时，弹性模量对挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力影响最小；总体上来说当粘聚力C<10kPa时，随着粘聚力的增大挡土墙侧向最大位移和土工格栅最大拉应力逐渐减小，当C>10kPa时，影响基本不明显；当摩擦角为30°时，摩擦角对挡土墙最大位移和土工格栅最大拉应力影响最小。陕西水利

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