地震作用下影响加筋挡土墙性质的有限元分析

方国平 刘宏杰 吴志民

摘 要：加筋挡土墙的动力分析是比较复杂，本文通过建立ANSYS有限元模型，对比分析地震区动力和静力作用下加筋挡土墙的填土材料对挡土墙的位移和轴力的影响分析，得出一些有益的结论。

关键词：有限元；地震；轴力；位移

0 引言

土的抗拉强度比较低，如果在土内掺入或铺设适当的一些材料，可以不同程度地改善土体的强度与变形特征。早在远古时代，人们已经能够采用这项技术并在实践中加以应用，比如在土中掺入稻草、芦苇等简易的加筋材料可用于砌筑墙体和房屋，自在挡土墙中加筋后且应用于工程实际以来，国内外许多学者从理论、试验及数值模拟分析等诸多方面都做了大量的研究，并得到了大量的研究成果，这很好地促进了加筋土技术的发展和应用。由于加筋土挡土墙筋土间作用机理的复杂性、结构形式和环境条件多变性，目前加筋土挡墙仍然处于理论滞后于实践阶段，尤其是动力和抗震方面尤为突出。本文建立有限元模型进行加筋挡土墙的静力和动力学的对比分析。

1 有限元模型的建立

在有限元分析中，材料的本构关系选取是非常重要的，它决定了计算分析的正确性和精确性。本项目采用 Drucker-prager弹塑性模型（简称D-P模型）进行分析。土体采用4节点平面矩形单元（PLANE42），加筋体釆用平面单元Plane82单元。所建模型如图1（单位为m）：

3 加筋挡土墙墙后填料对挡墙的影响分析

（1）粘聚力对面板位移和筋带轴力的影响

模型填土的粘聚力为30 kPa，固定内摩擦角 20 度不变，将模型填土的粘聚力分别设为 5 kPa、10 kPa、20 kPa、30kPa。模型其他参数和模型相同，对这4组模型的结果在静力和7度地震作用下进行比较分析。

由图2可知：加筋土挡墙位移随填土的粘聚力的增大而减小，减小幅度随填土的粘聚力的增大而增大。静力作用下，填土粘聚力从5 kPa增大为30 kPa，加筋土挡墙最大位移由25mm减小为 12mm，减小 13mm，最大位移发生在墙体的中部。加筋土挡墙底部位移由 10mm减小为4mm，减小6mm，加筋土挡墙顶部位移由 22mm减小为6mm，减小16mm，而且随着粘聚力的增加，墙顶位移变化幅度减小。说明加筋挡土墙墙后填土的工程性质对挡墙位移的影响是比较大，但是填土的粘聚力增大到一定程度后墙顶位移减小幅度减小。在7度地震作用下，加筋挡土墙的变形在同一粘聚力下变形较大一些，随着粘聚力的增加，墙体面板位移变化较大。

（2）粘聚力对筋带轴力的影响

由图3可以看出：随着填土粘聚力的增大，加筋体的轴力有减小的趋势。在静力作用下，内摩擦角从 5kPa开始到30kPa，最大轴力的减小量都比较均匀，筋带最大轴力由22kN减小为15 kN，减小15 kN，筋带最小轴力由17kN减小为3 kN，减小14 kN，每种填土粘聚力最大轴力基本上都出现在面板的中下部位，这和挡墙面板的变形一样，也是变形最大处为中下部位，这说明面板的变形和筋带的变形是一致的，即面板变形大的地方，筋带拉力也大，变形小的地方，筋带拉力也变小。在土的同一粘聚力下，筋带轴力比在静力下有所增大，这也主要是墙体变形较大，导致筋带轴力增加。

（3）内摩擦角对面板位移的影响

模型中填土的内摩擦角取20°，固定粘聚力30kPa不变，将模型填土的内摩擦角分别改为5°、10°、20°和30°，模型其他参数和原模型相同，对这 4 组模型的结果进行静力和7度地震作用下的比较分析。模型的位移图。

由图4可以看出：加筋土挡墙面板位移随填土内摩擦角的增大而减小，减小幅度随填土内摩擦角的增大而增大。在静力作用下，填土内摩擦角由5°增大为30°，加筋土挡墙最大位移由17.5mm减小为11mm，减小6.5mm，加筋土挡墙面板底部和顶部的位移变化都不大，挡土墙的顶部位移变化稍微大了一些。面板顶位移由12mm减小为5mm，减小7mm，面板底由7mm减小为5mm，减小2mm，5°到10°过程中，面板位移变化不大，20°到30°位移变化也不大。曲线贴在一起减幅很小，变形形状属于鼓肚型，面板顶部的位移和底部的位移基本相等，变化趋势也一致，四组不同内摩擦角对面板位移的影响都表现为位移沿着墙高高度不断增加，但是在内摩擦角增大的过程中，填土总的侧向位移不断减小，这是因为一方面，增大内摩擦角可以减小面板承受的土压力，从而减小面板的侧向位移。另一方面，按照楔体假设破坏模型，?的增大可以使墙后楔体β减小，从而减小筋带自由段长度，相应增加了锚固段长度，这样筋带的拉力段可以更好的发挥抵抗拔出力作用，减小了面板侧向位移。在7度地震作用下，土的内摩擦角相同下，位移增加要比静力情况下要大。但总的来说变化幅度不是很大。

（4）内摩擦角对筋带轴力的影响

由图5可以看出：筋带拉力随着填土内摩擦角的增加而减小，在静力总有下，从5°开始到20°筋带轴力逐渐减小。也就是内摩擦角到了10°前后，筋带拉力变化趋于平稳，减小幅度不再明显，筋带轴力在面板中下部达到最大，从20°时到30°时筋带减小的幅度减小比较明显。从5°增加到30°时，筋带轴力最大由13KN减小到6kN，减小7kN，最上一层的筋带轴力在这四组数据中变化不大，总体在1kN到4kN之间浮动，底层筋带变化幅度较大，总体来看，筋带的拉力比较符合挡墙变形趋势，最大拉力和位移都为挡墙中下部。在7度地震作用下，同一内摩擦角的填土，筋带轴力比相应的静力作用下要大。

4 结论

通过有限元分析得出以下结论：

（1）填料粘聚力及内摩擦角对挡墙的变形有显著的影响，随着填料粘聚力和内摩擦角的增大，墙体最大侧向水平位移逐渐减小。但在动力作用下粘聚力对挡墙位移影响较大，但内摩擦角对挡墙位移影响较小。

（2）填料粘聚力及内摩擦角对挡墙筋带轴力在静力作用下也有显著的影响，随着填料粘聚力和内摩擦角的增大，挡墙筋带轴力逐渐减小。在动力作用下，也表现出结果是粘聚力增加筋带轴力增加幅度较大。但内摩擦角增加，轴力增加幅度不大。

（3）在地震荷载作用下，加筋土挡墙墙面的横向变形比静力作用下要大，地震设计烈度增大，位移呈较快增长，并在墙面呈下小上大分布。

参考文献

[1] 郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学，2002，4（10）： 57～61.

[2] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007

[3] 杨明.加筋土挡墙的作用机理研究及其动力分析[D].重庆：重庆大学，2001.

[4] 王亚勇.结构抗震设计时程分析法中地震波的选择[J].工程抗震，1988，4.

[5] 宋雅桐.人造地震波的研究[J].南京工学院学报，1980，2.

[6] 孙遇棋，熊正洪，邓荣基.粘性加筋土若干问题的研究[J].兰州铁道学院学报，1986，5（2）： 1～15