加筋土工格栅土石坝数值模拟分析

毛肖宁

摘要：利用通用有限元软件ADINA 对在相同荷载下土工格栅加筋高陡坡土石坝与未加筋土石坝两种工况下σ（应力）-ε（应变）状态进行了对比分析，通过数值模拟结果可以看出，土工格栅加筋图高陡坡土石坝与未加筋土石坝相比不仅ε（应变）明显减小，而且σ（应力）也相对减小。实例应用表明，加筋土工格栅使用在土石坝中，不仅使得坝体的建设不再受到地形的限制，而且是一种实用有效的方法。

Abstract： The general finite element software ADINA is used to compare the σ（stress）-ε（strain） state of reinforced high steep slope earth rock dam and unreinforced earth rock dam under the same load. It can be seen from the numerical simulation results that the reinforced high steep slope earth rock dam not only has a significant decrease in ε （strain） but also a relatively small σ （stress） compared with the unreinforced earth-rock dam. The application of the reinforced geogrid in the earth-rock dam not only makes the construction of the dam no longer limited by the terrain， but also is a practical and effective method.

关键词：土石坝；加筋土工格栅；数值模拟；有限元分析

Key words： earth and rock dam；geogrid reinforced soil workers；numerical simulation；the finite element analysis

中图分类号：S277；TV67 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）30-0160-04

0 引言

隨着社会的发展，科技的进步，加筋土工格栅技术在水运、水利及市政工程中的应用越来越普遍，而随着加筋土工格栅技术的广泛应用，不仅使得垃圾填埋场中的土石坝建设不在受到地形的限制，而且可以降低坝体ε（应变），提高其稳定性，为土石坝的安全性提供了新的保障[1]。

加筋土的性能主要取决于填料（如物理力学性质、水力学性质），筋带材料（如筋材受力变形特征、布置方案、筋—土界面特性），面板（面板刚度、面板与筋材的连接方式）[2]。

虽然以前专家对加筋材料进行了大量的研究，但是如何将加筋材料应用在垃圾填埋场的土石坝中以及在各种荷载作用下加筋材料变形状态，并没有进行探讨。本文通过应用通用有限元软件ADINA，对土工格栅加筋土高陡坡土石坝与未加筋土石坝进行了数值模拟对比分析，为以后加筋材料在土石坝中的应用提供理论基础。

1 理论模型与方法

随着计算机技术的发展，有限单元法成为现在解决工程问题的主流，有限元法主要是将分析域进行离散化处理，然后根据变分原理将力学分析中的控制方程基边界条件转化为等效的代数方程组，从而确定求解域内连续的场函数问题转化为求解有限各离散点处的场函数值问题[3]。有限元法概括起来包括以下六个步骤：

1.1 连续体的离散化[4]。离散化即是将给定的连续体分割成等价的有限单元组合，单元体只有在结点处相互连接，构成一个单元的集合体，用以代替原来的结构。

2.2 变形结果分析

2.2.1 土工格栅加筋土土石坝与未加筋土石坝y-displacement（水平向位移）对比分析

图4、图5为两种形式土石坝水平向变形位移云图，从图中对比分析，土工格栅通过限制土体水平向位移而使得坝体下游坝坡更加稳定，图6为加筋格栅式土坝与未加筋式土坝下游坝坡水平向变形对比分析，x轴为各点距离坝址的距离，y轴为坝体下游坝坡的水平向变形，相同荷载作用下，未加筋式土石坝下游坝坡位移随着距坝址的距离增大而逐渐增大，坝顶位移达到了最大值ymax=-0.003m，而加筋土工格栅式土坝下游坝坡水平向位移明显减小。

2.2.2 土工格栅加筋土土石坝与未加筋土石坝z-displacement（水平向位移）对比分析

图7、图8为两种形式土石坝竖直向变形位移云图，在相同荷载作用下未加筋式土坝坝坡位移随着距坝址的距离增大而逐渐增大，坝顶位移达到了最大值zmax=-0.016m而加筋土工格栅式土坝下游坝坡竖直向位移明显减小。

2.3 应力结果分析

2.3.1 土工格栅加筋土土石坝与未加筋土石坝y-stress（水平向应力）对比分析

图10、图11为两种形式土石坝水平向应力云图，加筋式土石坝比未加筋式土石坝，各部位水平向应力明显降低，图12为加筋格栅式土坝与未加筋式土坝下游坝坡水平向应力对比分析图，x轴为各点距离坝址的距离，y轴为坝体下游坝坡的水平向应力，相同荷载作用下为加筋土石坝坝坡应力随着距坝址的距离先增大后减小，下游坝坡水平向出现了明显的拉应力，其最大值σymax=-600kPa而加筋土工格栅式土坝下游坝坡，由于筋带—土体—面板之间的相互作用，水平向应力明显减小σymax=-20kPa，加筋后的竖直向应力相比未加筋土坝减小了580kPa，稳定性增加效果明显，而且在坝顶的位移出现了一定面积的压应力最大压应力σymax=50kPa，由此可以得出，加筋土工格栅式土坝其下游坝坡不仅位移减小，而且应力也得到了一定的削减。

2.3.2 土工格栅加筋土土石坝与未加筋土石坝z-stress（竖直向应力）对比分析

图13、图14为两种形式土石坝竖直向应力云图，从图中可以看出加筋式土石坝比未加筋式土石坝，竖直向应力变化区别较大，x轴为各点距离坝址的距离，y轴为坝体下游坝坡的竖直向应力，通过图15可以看出在相同荷载作用下坝坡竖直向应力随着距坝址在未加筋的情况下存在大范围的拉应力，其最大拉应力竖直σzmax=-150kPa，而加筋后的土坝其竖直出现了压应力，压应力竖直σzmax=100kPa，这样会使得坝体下游坝坡更加稳定。

3 结论

利用通用有限元软件ADINA对在相同荷载下加筋土工格栅式垃圾土坝与未加筋垃圾土坝应力及应变关系进行了对比分析，通过数值模拟可以得到如下结论：

①加筋格栅式土坝与未加筋式土坝在相同荷载下相比，水平与竖直向位移都有所减小，未加筋土坝壩坡水平位移随着距坝址的距离增大而逐渐增大，坝顶位移达到了最大值ymax=-0.003m，而加筋土工格栅式土坝下游坝坡水平向位移明显减小，由于筋带—土体—面板之间的相互作用，加筋土工格栅式土坝下游坝坡水平向位移几乎趋于零。

②加筋格栅式土坝与未加筋式土坝下游坝坡竖直向变形与水平向变形趋势相同，坝顶位移达到了竖直位移最大值zmax=-0.016m，而加筋土工格栅式土坝下游坝坡竖直向位移明显减小。

③加筋格栅式土坝与未加筋式土坝下游坝坡水平向应力对比分析，在相同荷载作用下，未加式式土坝坝坡位移随着距坝址的距离先增大后减小，下游坝坡水平向出现了明显的拉应力，其最大值σymax=-600kPa而加筋土工格栅式土坝下游坝坡，而加筋式土坝由于筋带—土体—面板之间的相互作用，水平向应力明显减小σymax=-20kPa，加筋后的竖直向应力相比未加筋土坝减小了580kPa，稳定性增加效果明显，而且在坝顶的位移出现了一定面积的压应力最大压应力σymax=50kPa。

④加筋格栅式土坝与未加筋式土坝下游坝坡水平向应力对比分析，可以看出在相同荷载作用下，未加筋图坝坝坡竖直向应力随着距坝址在未加筋的情况下存在大范围的拉应力，其最大拉应力竖直σzmax=-150kPa，而加筋后的土坝其竖直出现了压应力，压应力竖直σzmax=100kPa，这样会使得坝体下游坝坡更加稳定。

总而言之，加筋格栅式技术不仅改善了坝体的σ（应力）-ε（应变）关系，而且为以后水运、市政工程中相关建筑物建造提供一种可靠的方法。

参考文献：

[1]陈明非，叶世泉，鲁玉忠.土工格栅加筋土高陡坡路堤应用实践[J].人民黄河，2010（9）：141-142.

[2]戴庆民，盖希光.土工格栅加筋方法法在软基处理工程中的应用[J].城市道桥与防洪，2000 （3）：62-63.

[3]陈立波.土工格栅在公路加筋挡土墙工程中的应用探讨[J].工程科技，2011（19）：239.

[4]曾长贤.浅谈土工格栅加筋土陡路堤的设计方法[J].路基工程，2003（4）：32-35.

[5]土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.

[6]张师德，吴帮颖.加精土结构原理及应用[M].北京：中国铁道出版社，1986.

[7]介玉新，李广信.加筋图的计算方法[J].水利水电技术，1999，30（5）：97-106.

[8]MsGown A. Limit State Design of Geosynthetic Reinforced Soil Stuctures [A]. 6th Inc Confon Geosynthetics [C]. Atlanta Georgia USA：1998，507-510.