加筋挡土墙在地震作用下的数值分析

尹杰明

摘  要：加筋挡土墙是一种在地震灾害下受影响较小的挡土墙形式，相较于重力式挡土墙，其在地震载荷的破坏下呈现出良好的抗震性能。加筋挡土墙现今已经在工程领域中得到了广泛的应用，但是其缺乏相应的力学研究模型，其动力学理论主要采用的是拟静力法，而拟静力法的应用是在众多的假设条件下进行的，致使以拟静力法所建立的加筋挡土墙动力学分析存在着一定的缺陷性，为解决这一问题可以采用数值分析法对加筋挡土墙在地震作用下的动力学模型进行建立与分析，获取更加真实、可靠的加筋挡土墙动力响應规律。

关键词：加筋挡土墙;地震;数值分析

中图分类号：TU476.4       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）34-0048-02

Abstract： Reinforced retaining wall is a kind of retaining wall which is less affected by earthquake disaster. Compared with gravity retaining wall， reinforced retaining wall shows good seismic performance under seismic load. Reinforced retaining wall has been widely used in the field of engineering， but it lacks the corresponding mechanical research model， and its dynamic theory mainly adopts quasi-static method. However， the application of the quasi-static method is carried out under many hypothetical conditions， resulting in some defects in the dynamic analysis of the reinforced retaining wall established by the quasi-static method. In order to solve this problem， the dynamic model of reinforced retaining wall under earthquake can be established and analyzed by numerical analysis method， and a more real and reliable dynamic response law of reinforced retaining wall can be obtained.

Keywords： reinforced retaining wall; earthquake; numerical analysis

前言

加筋挡土墙在工程领域中获得了广泛的应用，其动力学性能相较于重力式挡土墙有着较大的优势，尤其是在地震条件下重力式挡土墙所遭受的破坏较大。加筋挡土墙应用较为广泛，但是其与土的作用机理极为复杂，在对加筋挡土墙进行动力特性研究时多采用的是拟静力法，而拟静力法所取得的研究数据受众多条件的限制，存在着较大的不确定性。在地震动载荷条件下，加筋挡土墙的填土、筋带与面板平衡体将处于不平衡的状态，严重的甚至于会发生失稳破坏。加筋挡土墙的动力特性与普通填土的动力特性有所差异，采用拟静力法对加筋挡土墙的动力特性进行数值分析将会忽视加筋挡土墙中的筋带与填土在地震力作用条件下的摩擦系数的变化，从而使得加筋挡土墙的动力特性无法得到完全的显示。为更好的做好加筋挡土墙在地震作用下的数值分析需要结合加筋挡土墙在地震条件下的动力特性，选择合适的方法完成对于加筋挡土墙的数值分析。

1 加筋挡土墙的结构构成与设计

加筋挡土墙主要包含有三大组成部分：筋带、填土材料和墙面板。筋带主要用于平衡挡土墙土体与墙板之间的受力，使得两者之间的受力更加均衡。同时筋带镶嵌入土体内与填土之间产生嵌固力，使得土体的抗剪能力和刚度得到较大的提升。筋带材料主要分为有机材料和无机材料两大类。填土材料是应用于加筋挡土墙的主要材料，填土材料与加筋材料水平交替铺设用以产生相应的摩擦力。填土材料最优的是优质碎石土。墙面板对加筋挡土墙的外立面美观度有着直接的影响，由于其长期暴露在外，因此美观性、耐久性以及排水性能是墙面板选用时首先需要考虑的性能。墙面板根据材料、形状、工艺分为多种不同的型号与规格，在选用时需要结合墙面板的使用范围与使用要求进行综合性的选取。我国在加筋挡土墙的设计时主要采用的是极限平衡分析法，完成对于加筋挡土墙外部稳定性、内部结构稳定性以及排水系统等的计算分析。而对于加筋挡土墙在地震条件下的动力特性则未有完善的资料。为更好的做好加筋挡土墙的设计，需要积极做好加筋挡土墙在地震条件下动力特性的分析，了解并掌握加筋挡土墙中各参数对加筋挡土墙抗震性能的影响。以便为加筋挡土墙的设计打下良好的基础。

2 加筋挡土墙的结构与稳定性分析

工程项目中所采用的填土抗拉强度和抗剪切性能都较低。通过在填土中加入筋材将能够有效的提升填土的抗拉和抗剪切能力，加入筋材后将形成土-筋复合体。这种复合体在作用力的作用下会产生形变和土体与筋材的偏移，从而使得加筋挡土墙的动力特性发生变化。筋材作为加筋挡土墙中的受力平衡构件，在用力发生改变时将承受较大的作用力，其与土体之间的应力传递依靠的是表面摩擦和横杆的被动阻力。

2.1 加筋挡土墙在地震力作用下所遭受的破坏

结合加筋挡土墙在地震力作用下所遭受的破坏，其破坏模式主要分为：内部破坏和外部破坏。内部破坏主要表现为筋材拔出和筋材断裂;外部破坏主要表现为倾倒破坏、整体滑移和整体推移破坏以及承载面破坏。其中，内部破坏的筋材拔出主要是由于筋材与土体之间的摩擦力不足所造成的。

而筋材断裂则主要是由于作用于筋材上的作用力超过了筋材所能承受的极限。加筋挡土墙在地震条件下的破坏模式与其他类型的挡土墙相一致。

2.2 加筋挡土墙稳定性计算

2.2.1 外部稳定计算

加筋挡土墙外部破坏模式主要有倾倒破坏、整体滑移和整体推移破坏以及承载面破坏。加筋挡土墙的水平滑移阻力主要来自于加筋挡土墙底或加筋挡土墙筋带与土壤之间的摩擦力。加筋挡土墙滑移力来自于地震波的水平载荷。在加筋挡土墙外部稳定性计算上需要计算抗平面滑移安全系数，在计算出安全系数无法满足安全要求时可以通过增加加筋挡土墙中的筋材长度的方式在增大安全系数，通过重复计算直至满足安全要求。在外部稳定计算中还需要对加筋挡土墙的抗倾覆安全系数、地基承载力、整体稳定性等的数值进行计算，确保加筋挡土墙满足安全要求。

2.2.2 加筋挡土墙内部稳定计算

在计算加筋挡土墙内部稳定性时，假定加筋挡土墙土体破裂，加筋挡土墙筋带受到地震载荷的直接作用，筋带将承受最大拉力。由于筋带属于不可拉伸，分布于筋带的拉力线，起点在墙踵，并以与加筋挡土墙呈一定水平夹角的方向向加筋挡土墙土体内部延伸，在距离墙0.3H宽度时，垂直向上延伸直至加筋挡土墙顶面。在加筋挡土墙设计时需要对加筋挡土墙筋材的抗拉强度、抗拔能力进行计算，确保其在安全系数要求的范围内。

3 地震条件下加筋挡土墙建模分析

本次构型将采用Mohr-Coulomb模型，该模型具有良好的计算效率，是一种建立塑性模型常用的模型构型。建模分析时使用FLAC软件内嵌土工格栅单元对地震载荷作用下加筋挡土墙中筋材与填土之间的相互作用力。模拟分析时作用于土工格栅单元的作用力为水平方向的摩擦剪切力，而在法线方向的作用力则需要依靠相邻单元的材料特性，总体来说，作用于土工格栅单元上的作用力应由有效侧限应力与总剪切应力组合而成。土工格栅单元与周边单元的相互作用力需要考虑到界面剪切特性和粘结摩擦特性，综合切向刚度、粘结力、摩擦角及有效侧限应力等几个力学参数来共同决定。在计算土工格栅单元与周边介质的相对位移时主要是土工格栅单元与节点相连区域的位移场来确定和计算的。作用于土工格栅单元节点上的法向运动需要与周边介质的运动趋势相一致。

作用于土工格栅单元上的地震力在建模时需要将地震波的加速度、速度时程等转变为应力时程，以应力时程作为土工格栅单元上的激励。建模时所采用的地震波为Elecntro地震波，该地震波的持续时间长、频谱较大，能够在各类随机振动模型中发挥出良好的功用。该地震波南北和东西方向的加速度峰值分别为341.7cm/s2和210.1cm/s2，第一卓越频率为1.47Hz。为更好的反应地震波的频谱特性，需要对所实际测得的地震波进行滤波和基线校正。

4 地震波作用下加筋挡土墙的数值分析

在完成了加筋挡土墙在地震载荷作用下的建模后，需要对加筋挡土墙在地震动载荷激励作用下的响应进行分析，用以评价加筋挡土墙的稳定性是否满足要求。数值分析将从计算参数和挡土墙型式两个方面对加筋挡土墙的动力特性进行评价。通过固定其余参数变动地震动峰值加速度来测算加筋挡土墙内填土随时间变动工况参数。而后通过固定地震波参数，并改变加筋挡土墙的参数（高度和填土类型）等来确定加筋挡土墙在不同结构类型下的地震动载荷响应。

在数值分析时，需要将加筋挡土墙模型以2米高程为间隔设置加筋挡土墙地震动载荷响应的监测点，记录加筋挡土墙模型在地震动载荷作用下的水平应力、平面剪应力的时程曲线。加筋挡土墙模型的地震激励响应会获取大量的数据，为分析加筋挡土墙的地震响应，需要对加筋挡土墙内填土在X/Z方向的最终位移云图、5s特征时刻加速度云图、20s特征时刻塑性区云图等进行重点关注。为分析加筋挡土墙稳定性变化，需要对加筋挡土墙内填土在地震时的X、Z方向的速度时程、位移时程曲线等进行记录和分析。

结合建模分析数据，地震时作用于加筋挡土墙上的土压力呈现出如下特征，地震前土压力呈现为上小下大的梯形分布，同时受面板刚度较大的影响，加筋挡土墙表层土体受拉力较大。地震力作用在加筋挡土墙填土上时，最大土压力出现在加筋挡土墙底部，并随着高度升高而振幅减弱，并在超过加筋挡土墙4/5高程时变化趋于稳定。上述数值表明加筋挡土墙中填土在地震作用下具有向坡外临空面的运动趋势，而筋材则通过与土体之间的摩擦作用限制了土体的水平运动。作用于加筋挡土墙上的剪应力表现为总体减小的趋势，仅在挡土墙最低点表现为反向增大的趋势。这一数值表明水平作用于加筋挡土墙上的地震振动加大了板后填土的水平运动趋势，而由于加筋挡土墙中筋带的拉力作用使得加筋挡土墙中的填土对于板的土压力在逐步加大，并使得板与填土之间的竖向相对运动趋势明显减小，从而导致加筋挡土墙中筋与土体之间的剪应力明显减少。分析加筋挡土墙在地震作用下的位移特征后表面，加筋挡土墙在地震发生是具有独立的保持自身位置的趋势，其振动幅度小于加筋挡土墙下部的地基土体。加筋挡土墙在地震时整体性表现良好，运动呈现为整体性运动，位于筋带加固区域外的土体则变现为不同的运动特性，整体性运动较差，具有明显的水平位移运动趋势。

5 结束语

加筋挡土墙在工程领域中应用较多也较为广泛，做好加筋挡土墙在地震条件下的动力学分析将有助于在加筋挡土墙设计中有针对性的加强加筋挡土墙的抗震性能。确保加筋挡土墙能够在地震条件下获得较好的保存。本文在分析加筋挡土墙动力学结构的基础上对加筋挡土墙在地震条件下的动力学特性进行了分析介绍，并对地震条件下的动力学特性进行了数值分析。

参考文献：

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