土工加筋挡墙结构受力机理的分析

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摘 要：本文介绍了加筋土工作原理及利用有限元对土工加筋挡墙结构受力机理进行分析研究，得出土工加筋挡墙结构受力机理的一般规律性，对以后土工加筋挡墙结构设计、施工有一定的指导作用。

关键词：土工加筋；加筋机理；结构受力

Geogrid retaining force structure analysis of the mechanism

Huang Hai-long

（Guangxi Hydrogeology and Engineering Geology Exploration Institute， Guangxi Liuzhou 545006）

Abstract： This paper introduces the working principle and the use of reinforced soil finite element Geogrid retaining force structure analysis of the mechanism， drawn Geogrid retaining force structure mechanism of general regularities of the block after Geogrid wall structural design， construction have a guiding role.

Keywords： Geogrid； reinforcement mechanism； force structure

1.前言

土工加筋技术（Earth Reinforcement）是一种在土工构筑物中或原位土体中埋设抗拉性能较好的材料而使整个土工系统的强度和稳定性等力学性能得到明显改善的土体加固方法。现代用于支挡结构的加筋土方法是1971由法国建筑师Vidai首创。从1980年以来，开始使用土工格栅用作加筋。在过去的30多年里，37个国家已修建了2万余座加筋土结构，其面积超过7百万平方米。

加筋土技术在七十年代引入中国，自1979年第一座8m高加筋土挡墙在云南建成以来，土工加筋技术应用和研究在我国得到了极大重视。并大量推广应用到公路路堤工程、港口护岸工程、柔性桥台工程等特殊工作环境下的工程结构中。

2.土工加筋工作原理

1.1加筋土边坡系统组成

加筋土边坡支挡结构主要由加筋材料、面层系统和回填材料三大部分组成（见图2-1）。

图2-1 土工格栅加筋支挡结构

1.2摩擦加筋原理

在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过面板上的拉筋连接件将此压力传递给拉筋，企图将拉筋从土中拉出。而拉筋材料又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩阻力阻止拉筋被拔出。因此，只要拉筋材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋土体就可以保持稳定。在条带式加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时（暂将加筋土体看成无加筋土体），依据朗金理论，沿主动破裂面将墙体分为主动区和稳定区。下滑土楔体自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现滑动面，加筋土体的内部稳定就有保证。

设每层筋带所受的土体水平推力为T，则：

式中：σ为法向应力；l为筋带长度；f为拉筋与土粒间的摩擦系数；b为拉筋筋带宽度；L2为拉筋在稳定区的长度。

1.3准粘聚力原理

加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料，通常采用的拉筋，其弹模远大于填土。在这种情况下，拉筋与填土的共同作用，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力，使得加筋土的强度明显提高。图2-2所示， 加筋后筋土界面上的土工格栅与土之间的表面摩擦力、土工格栅孔内的土与孔外土颗粒与土工格栅的横向筋肋之间的作用力土之间的表面摩擦力三种摩擦力变化。

图2-2 土工格栅与土之间的相互作用

3.土工加筋挡墙受力机理分析

3.1计算模型及参数

采用有限元软件ANSYS[2]来模拟土工加筋挡墙结构受力机理，试验工程的结构模型如图3-1所示。

图3-1 土工加筋挡墙断面图

依据试验工程的实际结构建立有限元模型，周围土体的计算范围定义为：沿水平方向和竖直方向延伸3倍坡高，即15m。分析的本构模型选用岩土工程中常用的Drucker-Prager弹塑性模型，在ANSYS中通过DP材料来实现，单元类型选用Plane42单元，Plane42单元是一种4节点的结构实体平面单元，模型网格划分选用自由网格划分。根据试验工程实际的工程地质条件确定有限元模型的材料参数，列于表3-1。

表3-1 有限元模型的材料参数

单元 弹性模量 泊松比 饱和 天然 粘聚力 内摩擦角

加筋区土体 9.7 0.3 20.8 18.7 8 33

素填土 9.7 0.3 19.6 17.9 2 31

强风化岩层 40 0.25 23.2 22.0 20 35

中等风化岩层 980 0.22 26.6 26.2 400 41

3.2加筋挡墙的有限元分析及结果

3.2.1侧向位移分析结果如图3-2、3-3所示：

（1） 土工格栅加筋有效的减小了边坡的侧向位移。

（2） 加筋边坡的水平位移分布较均匀，减少了土体的主应力差。如图3-3（a）中水平位移曲线出现有规律的反复波折，从对应位置可以发现，波谷点即位移相对较大的地方都出现在每一个加筋土层的中间部位，而靠近筋材的土体的水平位移相对有所减小。

3.2.2应力水平分析结果：

（1） 加筋边坡相对于未加筋边坡，其平均等效应力减小5.2%。

（2） 对于加筋边坡，在坡面上各加筋土层中间部位出现了塑性区；对于未加筋边坡，塑性区集中出现在坡趾点附近。

（3） 加筋边坡中最大剪应变是未加筋边坡最大剪应变的25.5%。

3.2.3接触摩擦力分析结果如图3-4、3-5所示：

图3-4 土工格栅上界面接触摩擦力分布图

图3-5 土工格栅下界面接触摩擦力分布图

（1） 土工格栅与土之间的接触基本上都处于粘合状态。

（2） 每一层土工格栅上的接触摩擦力从坡内向坡面成抛物线增大。

（3） 浅层土工格栅，承受的拉力较小，介面摩擦力仅在靠近坡面前端发挥出来。

（4） 深层土工格栅，承受的拉力较大，后端土工格栅上的接触摩擦力逐步成为提供摩阻力的主要区域，这说明土与土工格栅上的摩擦效应的发挥是随拉力的增大而逐步向坡内沿伸的。

3.2.4安全系数与塑性分析结果如图3-6所示：

（1）未加筋边坡的安全系数为1.04，加筋陡坡的安全系数为1.64。

（2）加筋作用的存在，阻断了趋势滑移面进一步沿伸到加筋区域。

（3）未加筋边坡塑性区条带与接触摩擦力的峰值点的连线对应。

4.结语

本文对土工加筋工作原理及土工加筋挡墙结构受力机理进行了有限元模拟分析，得出了土工加筋挡墙结构受力机理的规律性。目前，随着计算机技术及数值计算理论水平的不断提高，对加筋土挡墙结构受力机理的有限元计算将得到广泛地应用。因此，如何建立三维有限元模型，使之方法更为简单，且能更好地反映墙体的应力与应变，筋带拉力以及筋土之间的相互作用，建立合理的接触单元，使之更准确地模拟实际情况，为工程的应用提供更准确的理论依据，所以还有待于进一步研究。

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【文章编号】1006-2688（2013）06-0005-05