加筋土挡墙地震作用下动力有限元分析

申 博

（山西水利职业技术学院 山西太原 030027）

0 引言

在我国，地震活动带非常多，就当前的对于加筋土挡墙在地震作用下相应研究的状况而言，很多的研究还不够成熟，这使得该工程结构明显在具体的应用过程上受到限制。在国外已经有维特蒙、摩德等对位于地震区的加筋土开展相关科研工作，同时，且对其模型进行了相应的有限元模拟分析，对其进行了较多的比例模型试验。但是，目前还没有在具体的设计规范中纳入相应的完整的计算公式，在我国一些学者对该方面进行了研究，但是并没有取得很大的成果。加筋土挡墙在造价和施工方面具有明显的优势，且其结构也比较美观，因此需要提高该结构的设计和研究水平，促进其在地震区的应用，具有巨大的工程实践价值。对加筋土挡墙动力响应进行分析研究显得如此的重要。为此，本文通过对加筋墙地震作用下动力有限元模拟，期望可以得出该方面的相关结论。

1 建立加筋土挡墙几何模型

本文采用一个足尺挡墙模型作为动力有限元分析的对象，采用ANSYS模拟对该加筋土挡墙可以承受的人工地震波荷载，然后再进行加筋挡墙动力反应相关分析。地震作用下加筋挡土墙可以作为一半空间体考虑，但在有限元计算中只是当作有界域。在建立模型时所设置的侧向边界位置应该尽量减小边界上反射波的影响，且要保证模拟计算的工作量适中。根据有关的研究结果表明，一般取加筋土挡土墙高度3～10倍范围作为模型的计算区域是比较合理的。本文所有采用的计算模型取为加筋挡土墙高度的10倍，具体的模型如图1所示。

图1 有限元模型断面

本文分析挡墙模型具体尺寸为：高6 m，宽20 m，基础高4 m，土工格栅作为加筋材料进行模拟。其中筋材长度为6 m，并在每0.4 m铺设一层筋材。采用预制混凝土模块的面板，其中每块高和宽分别为0.25 m、0.5 m。在模型中，底面垂直、水平向位移和侧面水平向位移都设置为零。按网格具体的划分情况，可以得出第一振型固有频率，结果为4.57 Hz。本文的有限元参数根据有关土工试验结果和相关文献的研究结果。[1]

2 加筋土挡墙有限元模型分析

本文根据有限元的基本理论，通过对加筋土挡墙动力作用研究分析，重点就是要采用一个合理的有限元模型用于模拟离散的加筋土，利用通用有限元分析软件ANSYS对加筋土挡墙进行了模拟，得出相应的结论。

2.1 结构模拟的假定

在对加筋土挡墙模型进行分析前，一定要对结构做一些前处理，主要有：

（1）纵向尺寸较大同时横向尺寸很小的加筋土挡墙，应按平面应变问题去处理模型去分析；

（2）简化一些必要的计算过程，我们主要分析模型最重要的地方，那么在模拟时筋带和面板材料一般都当作线弹材料处理；

（3）在模型中，不同材料的接触面上均按接触面单元处理。

2.2 地震荷载的加载方法与命令实现

在对矩阵定义与赋值后，就可在ANSYS采中用以下命令流对模型施加地震力作用：

2.3 求解设置

经分析认为ANSYS求解设置对收敛性的影响非常大，因此需要对一些相关参数进行具体的设置，本文对加筋土挡墙瞬态动力分析的求解设置做了详尽的阐述。

瞬态分析的求解方法可以采用完全法即Full，完全法通常会采用完整的系统矩阵计算响应计算方法，其中就没有矩阵缩减，其功能非常强大，且可以包含多种非线性的参数特点，应该利用时间的积分效果，采用TIMINT命令处理，在此过程要进行时间步长优化，目的就为了选择一个较为合理的时间步长，可以采用AUTOTS，ON进行处理。此外，因材料具有非线性的特点，应打开设置大变形的开关。

3 地震作用下加筋土挡墙的动力结果分析

采用上述所建立的模型，对模型分别施加4次的地震加速度（0.l g，0.2 g，0.3 g，0.4 g），分析其在不同峰值加速度下潜在破裂面、挡墙加速度放大效应、水平侧向位移变化规律。

3.1 有限元模型加速度分析

在ANSYS分析数据当中，采用了位移谱进行二次微分即可得到相应的加速度谱。图2、图3、图4、图5分别表示水平加速度峰值取为0.l g，0.2 g，0.3 g，0.4 g时，靠近面板处挡墙顶点的水平加速度时程反应。

通过这几个图可以看出，墙顶可以使水平加速度产生放大作用。输入的El-centro波使模型达到峰值时（加速度），墙顶质点也达到峰值（加速度）；紧接着加速度值慢慢变少，最后慢慢趋于稳定，其变化的趋势和El-centro波加速度时程曲线变化特点非常类似。将ANSYS后处理所得加速度的放大倍数见表1。

图2 0.1g时墙顶加速度时程曲线

图3 0.2g时墙顶加速度时程曲线

图4 0.3g时墙顶加速度时程曲线

图5 0.4g时墙顶加速度时程曲线

表1 有限元模型加速度放大倍数

（1） 在地震峰值加速度取为0.1 g，0.2 g，0.3 g，0.4 g条件下，所有墙高位置处加速度放大倍数都高于1，加速度放大作用非常明显。

（2） 当地震峰值加速度取为0.1 g，0.2 g 0.3 g，0.4 g时，加速度放大倍数在墙高4.8 m，也即约0.8 H处出现非常明显的变化。同时下部加速度的放大倍数也会随墙高呈线性增长，而上部随墙高线性减小。

（3）当地震峰值加速度在范围内（0.l g～0.4 g），加速度放大倍数随震级增大而增大；地震峰值加速度在0.3 g～0.4 g范围内，在相同墙高位置处加速度放大倍数随震级增大反而减小。

3.2 挡墙水平位移分析

在地震动力作用下，加筋土挡墙从静止状态到强迫振动状态，出现变形和破坏。结构的变形位移主要有两个部分：1）静载位移；2）动载位移。当挡墙受到地震力作用时，应力平衡状态被破坏，挡墙也出现变形。在地震加速度峰值较小的状况下，挡墙可内部调节来维持稳定的状态，挡墙表现的变形也较小，而地震力引起的变形将会恢复。而当地震加速度峰值较大时，挡墙内的变形急剧增大，此时筋一土间的摩擦阻力无法维持挡墙的原有结构，因而产生向外较大位移，挡墙形成明显的滑移面，最后发生破坏。

当取较小的地震加速度时，水平位移也会比较小，同时比较稳定；在TIME为2.14 s与4.92 s时，也就为输入的加速度达到峰值时，挡墙的水平位移也发生突变变大，此外位移时程曲线和El-centro波加速度时程曲线具有非常高的相似性。当地震力取为0.4 g时，所对应的水平位移最大值为57.1 mm。[2][3]

4 结论

本文在各个震级条件下，对加筋土挡墙有限元模型进行了较为深入的分析，具体对地震的加速度放大系数、破裂面和墙面水平位移等研究，可得出以下结论:

（1）墙顶一点水平侧向位移随加速度增大而增大，墙顶一点水平侧向位移在加速度峰值出发生突变，且可以发现位移时程曲线与地震波加速度时程曲线具有非常高的相似性。

（2）经过与试验数据的对比分析，发现采用ANSYS软件进行分析，在其中引入接触单元，建立土单元、面板单元和筋带单元构成的加筋土挡墙有限元分析是一种可行的方法，该方法可以较好地反映出加筋土挡墙在地震作用下的动力响应。

（3）在水平地震力作用下，加筋土挡墙加速度放大倍数随墙高度的增加而变大，且在接近顶部处发生了明显的突变，同时顶部的加速度放大倍数也比下部小。

（4）加筋土挡墙在水平地震作用下，墙顶一点位移随着地震加速度峰值的增大而变大。在加速度达到峰值时，挡墙位移也发生突变，且可以发现挡墙顶点处的水平位移时程曲线图和地震波加速度时程曲线具有较高的相似度。

［1］程国伟，赵雪胜，李 玲.基于拟静力法的加筋边坡地震稳定性分析［J］.长江大学学报（ 自然科学版），2009，6（4）：295-297.

［2］赵炼恒，李 亮，杨 峰，等.加筋土坡动态稳定性拟静力分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1904-1917.

［3］刘华北.地震作用下模块式面板土工合成材料加筋土挡墙的内部稳定分析［J］.岩土工程学报，2008，30（2）:278-283.