土工格栅加筋土挡墙变形有限元分析

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提 要：随着有限元技术的迅速发展，数值模拟已成为解决土木工程问题的重要研究手段，该方法有效规避了极限平衡法的计算中的困难，从而成为研究土工格栅加筋土挡墙变形特性的重要方法。目前适于土木工程研究的有限元软件很多，包括Ansys、Abaqus、Flac3D、Midas等，考虑土工格栅加筋土挡墙变形工程特性的基础上选取Midas/GTS对其变形特性进行分析。

关键词：有限元 值模拟 分析

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-011-02

1 Midas/GTS简介

Midas/GTS程序是由POSCO公司开发的针对岩土工程领域有限元软件。程序界面简洁，拥有强大前、后处理功能与材料模型库，可方便进行建模计算与网格划分。GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）包含了施工阶段的应力与变形分析和渗透分析等功能。

建筑结构分析（Structural analysis）侧重于分析荷载的不确定性，选取不同荷载工况进行计算，进而对计算结果进行组合，选取最不利组合进行设计。与建筑结构分析不同，GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）更多关注施工阶段和工程材料本身的不确定性，即更多关注岩土的物理状态。岩土工程分析中应选用实体单元模拟岩体状态，力求符合岩土非线性特点以及地基土应力状态并真实再现施工阶段的施作过程。MIDAS/GTS不仅具有岩土分析所需的基本分析功能，并提供了包含最新分析理论的强大的分析功能，成为岩土工程分析与设计的优秀计算程序。

2 模型本构选取

2.1填土本构选取

岩土材料在荷载作用下会产生相应的变形，根据卸载后材料变形能否恢复可分为弹性变形与塑性变形。当所受荷载较小时，岩土应力-应变符合弹性关系，即材料产生弹性变形；当所受荷载大于材料屈服强度，其应力-应变关系变现为非线性，即材料产生不可恢复的塑性变形，其应力应变关系由塑性理论中的增量法求解。岩土材料应力-应变关系可分为三种类型：理想弹塑性、应变硬化与应变软化，如图1所示。

2.2土工格栅单元

MIDAS/GTS程序中设置了特有的土工格栅单元，可方便的对其进行应力与变形分析。假设格栅单元所受应力均匀分布，且与轴线保持垂直的截面，发生位移后保持垂直，并且原截面各点仍保持在截面上。MIDAS/GTS土工格栅为一维单元，且只承受轴力作用。

2.3接触面单元

填土材料与土工格栅间发生相对位移，总体来看二者变形是不连续的，为进行有限元计算需要设置接触面单元。

MIDAS/GTS程序设置了接触单元-Goodman单元可方便模拟不同材料或刚度相差较大的材料连续性。在一定荷载作用下不同材料产生相对错动滑移、脱离接触以及周期性张开与闭合。为了有效的模拟接触面性态，必须在接触面上设置接触单元-Goodman单元。

图3为节点号1、2、3、4和整体坐标系x轴成 角的Goodman单元。Goodman单元的剪应力由接触单元的剪切刚度Kn确定，判断剪切应力是否达到了Mohr-Coulomb屈服准则的的抗剪强度。当超过抗剪强度时，残留剪切模量将被用于计算单元刚度。当Goodman单元承受拉应力时，水平刚度与剪切刚度将被乘以1/10000，此时接触单元可用于模拟节理。接触单元延长度或宽度方向上的两列的节点坐标相同。各节点的自由度与其所属的单元的自由度相同。

3数值模型的建立

选取河北省某高速公路加筋土挡墙作为工程背景，根据工程勘察与室内试验结果，对计算参数进行选取，如表1所示。地基底部水平、竖向自由度固定，两侧水平方向固定。模拟现场施工过程采用单元生死控制逐级加载，考虑土体自重。

计算模型符合以下假定：

（1）地基与路基填土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，参数参照室内试验选取；

（2）鉴于路基结构对称性，以路基横截面中线为边界，取模型一半进行受力与变形分析；

（3）模型边界条件地基底部固定约束，路基外侧水平设置约束；

（4）地基与路基的初始应力场由地基回填土和路基填料自重形成，并将初始位移场归零；

（5）加筋土挡墙高6.0 m，土工格栅长度取为5.0 m，加筋间距在墙高2.0m～4.0 m间为0.6 m，其余均为0.4 m。

4加筋土挡墙变性影响因素分析

土工格栅加筋有效控制了挡墙水平位移的发展，加筋土挡墙水平位移的影响因素包括：（1）加筋长度；（2）加筋间距；（3）路基填料等。下面分别对每项影响因素进行分析比选，保证加筋效果的发挥。

4.1加筋间距

现行加筋土挡墙设计规范并未规定加筋间距的确定方法，在实际施工过程中，从安全的角度出发采取较为保守的加筋方式，加筋间距偏小，从而造成一定的筋材的浪费。

加筋间距对挡墙水平位移的控制有重要影响。在某加筋长度值范围内，加筋间距越小，筋、土界面摩擦越大，加筋对挡墙水平位移的控制效果越明显。分别选取加筋间距0.4m，0.8m，1.2m，对比分析路基水平位移的控制效果。

经分析可得出：

（1）格栅长度8m相对于4m，6m，挡墙的水平位移得到了明显控制，起到了预期的加筋效果。

（2）加筋长度8m与12m相比位移变化不大，相对于筋长8m，12 m时加筋效果不明显，故土工格栅加筋土挡墙的加筋长度控制在4～6m较为理想。

4.2挡墙填料

加筋土挡墙主要通过格栅与填土摩擦作用，改善路基的变形条件并提高路基土体的整体性，故填土的力学性质也是影响加筋效果的重要因素。

粉煤灰作为一种轻质填料、实现了工业废料的再利用，即经济又环保。在高速公路挡墙施工中粉煤灰得到广泛应用，由于其轻质透水理性质，粉煤灰可以作为加筋土路基工程中优先选用的填料。也应该看到压实度是粉煤灰强度的重要指标，在施工过程中应加以关注。

5小结

选取河北某高速公路加筋土挡墙为工程背景，通过MIDAS/GTS岩土有限元分析软件进行数值计算，对加筋土挡墙的应力与位移场进行研究，在此基础上分析加筋效果的影响因素，可得如下结论：

（1）挡墙水平位移分布表现为中间较大而两端较小，宏观上表现为鼓状。土工隔栅使得水平位移最大值发生在墙体中部而非路基底部。土工隔栅的施作改善加筋土挡墙的位移场分布状况，有效约束路基填土的水平位移的发展，提高加筋土挡墙的稳定性，这与现场实验结果基本吻合。

（2）土工隔栅加筋增强挡墙路基的整体性，产生明显的薄膜和网兜效应，在挡墙路基中形成托举力，有效改善了竖向土压力的分布，有利于减少不均匀沉降和挡墙路基病害。

（3）土工格栅拉筋所受最大拉力随着填筑高度的增大的先增大后减小，在挡墙高3m左右土工格栅的轴力达到最大值；这与挡墙鼓出变形的不利位置相一致，说明土工格栅起到了明显的加筋效果。

（4）随着加筋长度的增大，挡墙的水平位移得到了明显控制，起到了预期的加筋效果，土工格栅加筋土挡墙的加筋长度控制在4～6m较为理想。

（5）加筋土挡墙主要是通过格栅与填土摩擦的作用，改善路基的变形条件并提高路基土体的整体性，与粘性土相比，粉煤灰作为路基填料时的挡墙的水平位移相对较小，加筋效果比较明显。