文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院 徐巖

本文采用筋土分離式有限單元法，分析填料性質對加筋土擋墻長期工作性能的影響，以期為實際加筋土工程的施工設計提供參考。

工程背景

擬建項目為新疆國道578線墩麻扎至尼勒克公路。該項目與省道315線相交，交叉采用省道315線上跨主線的分離式立體交叉。因省道315線兩側居民較多，因此，分離式交叉被交線需設置加筋土擋墻收縮坡腳，以免拆遷大量房屋。

加筋土擋墻長期性能有限元分析模型

幾何模型

由于加筋土擋墻沿路堤中心線對稱，取其一半建立幾何模型，加筋材料長度為6m，擋墻高為10.8m，擋墻寬取半幅路基寬度。為了盡量消除邊界效應，地基表面由擋土墻基礎向外延伸3倍擋墻高度，取整35m（見圖1）。限制地基土底部水平和豎向位移，模型右側限制水平位移，模型左側只限制地基土的水平位移。地基土和填土采用4節(jié)點平面應變單元，具體類型分別為CPE4R和CPE4I，面板則采用梁單元，具體類型為B21。筋材在加筋土結構中主要承受拉力，因此采用一維線性桿單元（T2D2）模擬筋材。

有限元分析模型

材料參數(shù)

地基土為黏性土，地基土采用Mohr-Coulomb模型；面板為混凝土預制面板，厚度為15cm，采用線彈性模型，其基本物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地基、面板的材料參數(shù)

土工格柵采用程序內置的黏彈性本構模型，該模型基于松弛剪切模量Prony級數(shù)形式的積分型本構方程，相關參數(shù)如表2所示。

表2 加筋材料粘彈模型參數(shù)

填土為碎石土，采用程序自帶的擴展Drucker-Prager模型，為分析填土性質對于加筋土擋墻長期工作性能影響，采用9種填土材料進行比較分析，并基于室內相關試驗研究成果，其基本物理力學參數(shù)，如表3、表4所示：

表3 填土材料的Drucker-Prager模型參數(shù)

接觸面及計算過程

面板與填土之間的相互作用，采用摩擦系數(shù)定義的面面接觸。面面接觸是以庫倫摩擦理論為基礎，分為沿接觸面方向、垂直于接觸面方向兩個方向的接觸。垂直接觸面方向采取程序默認的“硬接觸”設置定義，平行于接觸面方向采用摩擦系數(shù)定義。接觸面上的摩擦力大于或等于極限摩擦力，面板與填土間才會出現(xiàn)滑動。

由于土工格柵網眼較大，其與填土存在一定黏聚作用，會發(fā)生嵌入現(xiàn)象，因此要采用嵌入約束。土工格柵與面板接觸的地方采用耦合約束，要確保約束面的自由度與單個參考點一致。計算過程：首先建立地應力分析步，然后建立靜力通用分析步，最后建立黏性分析步。

表4 填土材料的蠕變參數(shù)

計算結果比較

計算得出加筋土擋墻工作運營15年后的墻面水平位移、土工格柵最大拉力，并將二者分析比較。

通過比較可以看出：面板水平位移隨內摩擦角以及內聚力的增加而減小，且摩擦角的增大導致面板側向位移減小的幅度，明顯大于內聚力所引起的。

土工格柵的最大拉力隨填料內摩擦角和內聚力的增加而減小，且摩擦角的增大導致土工格柵拉力減小的幅度要明顯大于內聚力所引起的。

填料摩擦角對加筋土擋墻的工作性能有很大影響，但需要指出，在內聚力一定時，增大摩擦角雖然能顯著減小側向位移和土工格柵拉力，但減小的幅度也在逐漸降低，甚至會不再減小。