加筋土挡墙填土性质影响的有限元分析

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 徐岩

本文采用筋土分离式有限单元法，分析填料性质对加筋土挡墙长期工作性能的影响，以期为实际加筋土工程的施工设计提供参考。

工程背景

拟建项目为新疆国道578线墩麻扎至尼勒克公路。该项目与省道315线相交，交叉采用省道315线上跨主线的分离式立体交叉。因省道315线两侧居民较多，因此，分离式交叉被交线需设置加筋土挡墙收缩坡脚，以免拆迁大量房屋。

加筋土挡墙长期性能有限元分析模型

几何模型

由于加筋土挡墙沿路堤中心线对称，取其一半建立几何模型，加筋材料长度为6m，挡墙高为10.8m，挡墙宽取半幅路基宽度。为了尽量消除边界效应，地基表面由挡土墙基础向外延伸3倍挡墙高度，取整35m（见图1）。限制地基土底部水平和竖向位移，模型右侧限制水平位移，模型左侧只限制地基土的水平位移。地基土和填土采用4节点平面应变单元，具体类型分别为CPE4R和CPE4I，面板则采用梁单元，具体类型为B21。筋材在加筋土结构中主要承受拉力，因此采用一维线性杆单元（T2D2）模拟筋材。

有限元分析模型

材料参数

地基土为黏性土，地基土采用Mohr-Coulomb模型；面板为混凝土预制面板，厚度为15cm，采用线弹性模型，其基本物理力学参数如表1所示。

表1 地基、面板的材料参数

土工格栅采用程序内置的黏弹性本构模型，该模型基于松弛剪切模量Prony级数形式的积分型本构方程，相关参数如表2所示。

表2 加筋材料粘弹模型参数

填土为碎石土，采用程序自带的扩展Drucker-Prager模型，为分析填土性质对于加筋土挡墙长期工作性能影响，采用9种填土材料进行比较分析，并基于室内相关试验研究成果，其基本物理力学参数，如表3、表4所示：

表3 填土材料的Drucker-Prager模型参数

接触面及计算过程

面板与填土之间的相互作用，采用摩擦系数定义的面面接触。面面接触是以库伦摩擦理论为基础，分为沿接触面方向、垂直于接触面方向两个方向的接触。垂直接触面方向采取程序默认的“硬接触”设置定义，平行于接触面方向采用摩擦系数定义。接触面上的摩擦力大于或等于极限摩擦力，面板与填土间才会出现滑动。

由于土工格栅网眼较大，其与填土存在一定黏聚作用，会发生嵌入现象，因此要采用嵌入约束。土工格栅与面板接触的地方采用耦合约束，要确保约束面的自由度与单个参考点一致。计算过程：首先建立地应力分析步，然后建立静力通用分析步，最后建立黏性分析步。

表4 填土材料的蠕变参数

计算结果比较

计算得出加筋土挡墙工作运营15年后的墙面水平位移、土工格栅最大拉力，并将二者分析比较。

通过比较可以看出：面板水平位移随内摩擦角以及内聚力的增加而减小，且摩擦角的增大导致面板侧向位移减小的幅度，明显大于内聚力所引起的。

土工格栅的最大拉力随填料内摩擦角和内聚力的增加而减小，且摩擦角的增大导致土工格栅拉力减小的幅度要明显大于内聚力所引起的。

填料摩擦角对加筋土挡墙的工作性能有很大影响，但需要指出，在内聚力一定时，增大摩擦角虽然能显著减小侧向位移和土工格栅拉力，但减小的幅度也在逐渐降低，甚至会不再减小。