EPS土工泡沫对挡土墙振动缓冲作用数值模拟

刘经法

1 EPS土工泡沫在挡土墙抗震中应用和发展

EPS(Expanded Polystyrene)土工泡沫具有隔热性好、自重轻、自立性强、耐久性好、抗震性好等优良性能，且其强度可以依工程需要而调节。EPS土工泡沫是用于减弱其动力荷载作用在墙体结构上的理想材料。Inglis(1996年)第一次提出使用EPS土工泡沫作为地震缓冲层[1]。Itasca Consulting Group(1996年)通过使用FLAC有限元软件进行数值分析得出，在地震作用下，使用土工泡沫缓冲层可以减少墙体上的横向压力[2]。在国内EPS土工泡沫在挡土墙减震方面的应用和可参考的文献较少。本文基于工程实例，用动力有限元时程分析法对设置EPS土工泡沫缓冲层的挡土墙进行抗震数值分析。

2 挡土墙抗震数值分析

2.1 工程实例简介

1999年9月21日，中国台湾省花莲西南发生7.3级强烈地震。挡土墙用5块浇筑混凝土建成，施工缝间没有经过特别处理，在地震中，挡土墙的上部沿着施工缝向外滑移，最上部的两块倒向高速公路一侧，破坏区长达20 m。

2.2 土工泡沫缓冲层设置方案

为了研究EPS土工泡沫对该重力式挡土墙的动力缓冲作用，假定在挡土墙墙背设置不同类型和不同厚度的EPS土工泡沫缓冲层，设置方案如表1所示。

表1 EPS土工泡沫设置方案表

2.3 有限元数值分析模型的建立

数值分析模型如图1所示，模型由四部分组成:挡土墙、EPS土工泡沫、土体和基岩。土体使用扩展的Drucker-Prager模型，其他三部分采用线弹性模型。数值分析采用的计算参数如表2所示。

浇筑混凝土块体之间、挡土墙与土、挡土墙与EPS土工泡沫、基岩与EPS土工泡沫和EPS土工泡沫与土体的接触界面设置摩擦界面，法线方向为硬接触。界面的摩擦系数如表3所示。

表2 材料参数表

表3 各界面摩擦系数表

2.4 地震波特征及其表征方法

本研究使用著名的埃尔森特罗地震波时程图(如图2所示)，其最大加速度在2.12 s处为0.342g，持续时间16 s，间隔为0.02 s。地震波在基岩的顶部和土体的右边边界输入。

2.5 有限元计算结果及分析

2.5.1 实例挡土墙破坏模拟

实例在8.6 s时就出现了破坏(见图 3)，在3—4界面处滑落下来，说明了该墙体结构的抗震能力较差，与实例中的挡土墙在地震中破坏情况基本吻合。

2.5.2 方案一

1)位移分析。图4为设置不同厚度时的墙顶位移—加速度—时间关系图。模拟中，墙顶的位移在逐渐的增大，在加速度达到最大时(2.12 s内)其增幅最大，1.4 m时，墙顶位移变化较小。图5为设置不同厚度EPS土工泡沫的最终高度—位移关系图。随着厚度的增加各个混凝土块位移减小。当大于1.4 m厚度后位移变化不大，位移较小。

2)受力分析。图6比较了实例模拟结果与设置不同厚度EPS土工泡沫时墙块4，5的水平总压力。在加设后，墙块4，5的墙背水平总压力都明显减小，而设置厚度大于1.4 m时约减少50%，缓冲作用明显。

2.5.3 方案二

1)位移分析。图7为设置不同厚度EPS时墙顶水平位移随时间的变化情况，在加速度达到最大时(2.12 s内)其增幅最大，在此之后则增幅较小。图8为设置不同厚度EPS土工泡沫的最终高度—位移关系图。随着厚度的增加墙体的各个混凝土块位移都相应的减小。当大于2 m厚度后各混凝土块间位移变化比较均匀，位移较小。

2)受力分析。图9为设置不同厚度时墙块4，5的水平总压力与未设缓冲物结果比较。加设后，墙块4，5的墙背水平总压力都明显减小，设置厚度在3 m时几乎可以减少50%以上，缓冲效果理想。

3 结语

1)设置EPS土工泡沫后的挡土墙减震效果明显。两方案都能使该挡土墙没有发生滑落破坏。2)墙顶位移、墙体各混凝土块水平位移都随EPS土工泡沫的加固厚度的增加而减小。墙体混凝土块4和5的水平总压力也随加固厚度的增加而减小，缓冲效果明显。3)设置后墙体混凝土块4和5的水平总压力明显减小。当设置厚度大于1.4 m时约减少50%。4)方案一的分析结果表明当设置厚度1.4 m的EPS土工泡沫较理想，方案二的分析结果是2.4 m，且它们墙顶最大位移差不多，约0.5 m。因此考虑到开挖及成本，方案一更适合该挡土墙防震设计。

[1] Inglis D，Macleod G ，Naesgaard E，et al.Basement wall with seismic earth pressures and novel expanded polystyrene foam buffer layer[J].Tenth Annual Symposium of the Vancouver Geotechnical Society ，Vancouver，BC ，Canada，1996(36):22-25.

[2] Itasca Consulting Group.FLAC:Fast Lagrangian Analysis of Continua，version 3.3.Itasca Consulting Group，Inc.，Minneapolis，Minnesota，USA，1996.

[3] Fang Y S，Yang Y C，Chen T J.Retaining walls damaged in the Chi-Chi earthquake[J].Can Geotech J，2003(40):20-22.

[4] 王 钊.土工合成材料[M].北京:机械工业出版社，2005.