基于FLAC3D加筋格宾挡土墙数值模拟分析

2020-11-24杨贞贞安美运伯彦萍梁凯圣牟碧洲

水利规划与设计 2020年11期

杨贞贞，安美运，伯彦萍，梁凯圣，牟碧洲

(1.贵州省水利科学研究院，贵州贵阳 55000；2.中建有限责任公司，北京 100000)

在1984年，格宾挡墙使用在防洪治理项目上，在2007年，Ethekwini市KwaZUlu-Natal将加筋格宾挡土墙应用于海岸工程的支护中。由于加筋格宾挡土墙具有施工简易、占地少、造价低廉、柔性强、抗震性能好、建筑高度不受限制以及对地基变形的适应性良好等优点，在公路、铁路、河道以及机场等高填方工程中的应用越来越广泛。加筋格宾挡土墙的支挡原理是利用加筋材料和填料之间的摩擦作用来限制土体的变形，进而在一定程度上提高土体的抗剪强度。近年来，由于加筋格宾挡土墙自身具备较好的防洪能力、生态及景观功能而被广泛应用于河道治理中，其已将现代水利工程学、生物科学、环境学等融为一体，对景观河道以及人水和谐起到重大作用。这一结构形式在河道工程应用中取得了较好的成效，但对这种新型挡土墙结构的力学特性和安全稳定性研究还未全面深入，开展加筋格宾挡土墙的研究分析能填补相应的空白。

图1 加筋格宾挡土墙

加筋格宾挡土墙的安全性计算通常采用刚体极限平衡方法和数值计算方法。刚体极限平衡理论简单明了，但未考虑土体的弹塑性破坏特性，适用于地质简单的边坡稳定性计算。数值计算方法通常是根据安全系数的定义，划分单元网格进行计算。该方法具有计算精确、可考虑弹塑性破坏特性的优点，目前国内外已有很多学者进行了相关研究。加筋格宾挡土墙如图1所示。

本文以贵州省剑河清水江防洪堤项目为例，基于FLAC3D下的数值计算法研究加筋格宾挡土墙的力学特性及安全稳定性，并结合挡土墙施工过程及不同河道水位下工作情况，数值拟合不同参数对加筋格宾挡土墙影响结果合理性，揭示各工况、不同参数下挡土墙的力学特性及安全稳定性。

1 模型建立及验证

1.1 基本原理及计算模型

1.1.1基本原理

本文基于FLAC3D分析研究加筋格宾挡土墙的安全稳定性，计算方法类似利用强度折减法分析计算，通过不断对岩土体强度指数c和φ值折减，推出新的抗剪强度指标c′和φ′，边坡稳定状态会逐渐接近极限状态，则滑裂面达到极限平衡状态的抗滑力与滑动力之比即为安全系数。

τ=c′+σtanφ′

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，c、φ—黏聚力，内摩擦角；c′，φ′—岩土体极限平衡状态时黏聚力，内摩擦角；σ、τ—主应力、剪应力。

通过确定安全系数的大致范围K∈[Ka，Kb](Ka

1.1.2工况设计

本次模型结合实际工程情况，分析施工以及不同河道水位运行过程中，得出不同参数下的力学特性以及安全稳定性。本次工况分为4组，第1组(G1工况)试验工况是用纯土制备试验边坡。第2组(G2工况)试验工况是增设加筋格宾挡土墙，是第1组(G1工况、不设格宾)的对照组。第3组(G3工况)试验工况是在第1组(G1工况)试验工况上用相似材料代替20cm厚度的基岩面，对比无基岩面的工况模型试验规律。第4组(G4工况)试验工况是在第3组的基础上增设加筋格宾挡土墙，并且按照实际施工方法，将挡土墙嵌入基岩面铺设加筋格宾挡土墙。具体的模型工况见表1。

1.1.3本构模型

FLAC3D软件提供了19种初始单元模型，并且这些初始单元模型对建立规整的三维岩土体模型具有快速、方便的功效。

表1 模型工况表

在程序模拟过程中，选择一个合适的本构模型不仅可以使模拟结果更加符合实际况，而且在运行过程中会更加流畅。为了寻求更好的本构模型，在建模之前参考了程序中关于本构模型的介绍，本次模拟选择莫尔-库伦本构模型。

1.1.4几何模型

本次模型选取贵州省剑河清水江防洪堤项目的边坡模型，本工程采用加筋格宾挡墙对堤防边坡进行防护，挡墙基础放置在密实砂砾石层上或岩石层上，加筋格宾挡墙由2.0m×1.0m×1.0m(长×宽×高)的加筋格宾堆砌而成，面墙每升高1m退台0.25m(形成1∶0.25的边坡)，本次在模拟过程中对格宾挡墙模型进行了优化。

在FLAC3D中建立模型首先利用BuildingBlocks对模型进行初步的建立，如图2所示。在此基础上对模型进行提前分组，以便后期参数赋值等操作。

图2 利用BuildingBlocks建立模型

数值模拟中关于加筋格宾面层的模拟，是采用FLAC3D中的Geogrid模块中专门的土工格栅单元，土工格栅结构元素是三节点、平面和有限元素。土工格栅元素表现为各向同性或正交各向异性的线性弹性材料，没有失效极限。筋带视为可承受拉伸作用的线弹性体，用Geogrid单元离散。本文利用弹塑性模型来描述筋-土界面的性质，从而模拟筋土的相互作用。

利用BuildingBlocks建立模型后，将模型导入Model Panes界面，按照上述参数对筋带面进行定义。如图3所示。在此界面板块对模型进行适当的修正和处理后，将模型从该板块中导出并保存文件，在后期的命令流建模中导入这些文件。

图3 利用Model Panes优化模型

对于各个工况中的水位线，利用实验所得到的数据，进行水位浸润线的空间模型建立。在浸润线的建立过程中用到了Rhinoceros5.0软件，部分浸润线如图4所示。

图4 G2、G3工况浸润线

在建立好模型和水位线后，利用FLAC3D命令流对模型设定边界条件约束及赋予数值，设置好参数后进行计算，最终导出计算结果数据和云图后再对计算结果进行分析。

1.1.5参数选取

加筋格宾挡土墙中的土体、格宾等材料参数特性如实选取，具体材料参数值见表2。模型建立后对各材料赋予参数特性值，对其进行模型验证及模拟研究分析。

1.2 模型验证及数值模拟分析

1.2.1数值模拟与模型试验结果验证

本次验证是选取室内试验中G1、G2、G3工况中的部分传感器测试结果与数值模型分析结果进行比较，具体成果如图5所示。

综上，从试验数据与模拟数据分析对比中可得试验数据和模拟数据变化方向一致，变化增长率总体上较为合理。在数值大小上，两者差值较小。因此，本次数值模拟能够预测不同试验工况模型的相关结果，对工程前期设计及实际应用具有重要的指导意义。

表2 材料特性

图5 传感器数值模拟与室内试验结果对比

1.2.2数值模拟分析

在不同水位的影响下，采用FLAC3D分析增设基岩、边坡材料、格宾挡土墙下的总位移、最大剪应力、孔隙水压力以及安全系数等结果，从结果中进一步分析加筋格宾挡土墙的力学特性与安全稳定性。

(1)各工况模拟结果

①不同工况位移结果分析

从图6—9可得，各工况随着水位的变化，边坡的总体滑动面和总位移趋势存在较大变化。各个模拟结果中的变化趋势基本相同，挡土墙坡脚处总位移最大，底部及坡顶位移较小，坡面及坡脚处位移数值较大。图中明显呈现带状区域，滑裂面呈现圆弧型。随着水位的升高，圆弧型滑裂面朝x负方向移动。随着基础、边坡支护的条件提高，圆弧型滑裂面朝x正方向移动。

图6 G1工况各水位总位移云图

图7 G2工况各水位总位移云图

图8 G3工况各水位总位移云图

图9 G4工况各水位总位移云图

从图10可得，随着水位的逐渐升高，挡土墙总位移呈现先降低后缓慢增大的趋势，G1工况总位移最大，G2工况总位移次之，G3、G4工况总位移差别不大，其中G4工况的总位移最小。受到加筋格宾以及基岩面的影响，挡土墙的总位移随着水位的上升趋于稳定，变化较小。水在低水位时对挡土墙的总位移影响较大，在较高水位时水对挡土墙的影响将减小，因0.325m的低水位恰好漫过坡脚处，由此可得出水对坡脚的浸润可使坡体位移明显减小，说明水对坡脚的影响极大。高水位变化时，水位上升，总位移也小幅度增大。依据位移云图与数值分析可得，坡脚及边坡坡面至坡体内部浸润区域为位移最大区域，属于模拟结果位移最大区域，在实践工程需要对此重点实施加固措施。

基岩层在试验模型边坡中对于位移影响最大，增设加筋格宾支护影响次之，两者结合的模型边坡位移最小。因此，在实践工程中，基础条件好的情况下，增设加筋格宾支护可有效减小边坡的位移。

图10 不同工况下的总位移变化图

②不同工况数值模拟应力分析

从图11可得，G4工况最大剪应力最大，G3工况次之，然后是G2工况，G1工况剪应力最小。随着水位上升，剪应力逐渐增大。

图11 不同工况下的最大剪应力变化图

在边坡的模拟分析过程中，基岩层对于剪应力的减小影响最大，其次加筋格宾对于剪应力的减小也起到重要作用。在保证边坡为增设加筋格宾支护的基础上，基础为基岩层的情况下，会使得剪应力随着水位的变化保持平稳，剪应力在洪水位设计工况时稍有增大。

③不同工况数值模拟孔隙水压力分析

根据图12—15，可得出孔隙水压力随着水位升高而逐渐增大。根据数值模拟孔隙水压力随着水位的增加，最大孔隙水压力位置向内部蔓延，由于水流从右侧边界渗入，数值模拟依据试验结果的浸润线设置水位，坡面区域孔隙水压力增加，坡体内部绿色区域面积缓慢增长，孔隙水压力沿着坡面爬升方向增大。

图12 G1工况各水位孔隙水压力云图

图13 G2工况各水位孔隙水压力云图

图14 G3工况各水位孔隙水压力云图

图15 G4工况各水位孔隙水压力云图

从图16可得，孔隙水压力数值大小在各工况下相差不大，增长变化趋势几乎相同，G4工况孔隙水压力较小，G1工况孔隙水压力增长最快，G2孔隙水压力与G3工况变化基本一致。

加筋格宾挡土墙在数值模拟中对于孔隙水压力变化影响最大，基岩层对于孔隙水压力的变化影响次之。在增设有加筋格宾支护，同时基础为基岩层的情况下，会大大减小水流入渗坡体的速度，进而减小坡体内的孔隙水压力。

图16 不同工况下的孔隙水压力变化图

(2)安全稳定性分析

在水位变化的过程中，各工况的安全系数排序为：G4工况﹥G3工况﹥G2工况﹥G1工况。G1工况在水位为0.325m时，安全系数小于1.3，G2工况在水位为0.515m时，安全系数小于1.3，可得到水位变化影响下的危险水位。G3、G4工况的安全系数具有近似的趋势，都是随着水位的升高，安全系数逐渐增大，在G4工况在水位为0.815m时，安全系数出现降低的趋势。如图17所示。

图17 不同工况下的安全系数变化图

综上，在增设格宾支护、基岩的情况下，随着水位的上升，可有效提高格宾挡土墙安全系数；当边坡无格宾支护的情况下，水位的上升可降低挡墙的安全稳定性。

(3)破坏方式分析

在无水时，4组工况均发生整体破坏，这是由于坡体各区域土体密度及其他性质区别不大，土体不易发生局部破坏。随着水位的上升，G1、G2工况开始从整体破坏转变为局部破坏，G3、G4工况仍为整体破坏。随着水位(0～0.815m)的上升过程中，在无格宾支护的工况下，水先从土体表面浸润至土体内部，由于坡面相对较陡，水会降低土体的内聚力，导致发局部破坏；在同时增设格宾以及基岩的G3、G4工况下，格宾支护和基岩能够较好的阻碍作用。从分析来看，坡脚等薄弱区首先会发生破坏，因此在设计及施工过程中，在坡脚及面板处可考虑加筋格宾支护。

各工况的破坏方式见表3。

表3 各工况的破坏方式

挡墙坡脚下由于存在水压力作用以及坡体上部无格宾加固措施，使得上部较为容易破坏。纯土加格宾工况现象异于其他工况是因为水的浸润作用使得格宾区域土体整体达到饱和状态，从而整体发生剪切破坏。在土体中增设格宾能够很好地减少水的浸润作用，使得挡墙产生局部破坏。在挡墙中使用格宾支护使得格宾挡土墙出现整体破坏，可以在最底层的格宾和土层接触面进行一定的土表凿毛或其他防止底层格宾和土表发生相对滑动的措施。