加筋挡土墙内部稳定分析计算的新思路.doc

加筋土结构内部稳定分析计算的新思路朱海龙1 刘一通2 邢义川1 张爱军3（1. 中国水利水电科学研究院； 2. 空军工程设计研究局；3. 西北农林科技大学）【摘要】本文从有限元计算分析的思路出发，研究分析了加筋土结构内部强度分布特征，提出了用强度代换的方法通过有限元手段分析加筋土结构内部应力和应变一种新思路【关键词】 加筋土 强度理论 有限元 土工格栅 本构模型【中图分类号】TU472.3+4 【文献标识码】A引言传统的加筋土结构内部稳定分析的计算理论均建立在筋-土分离模式的基础上，认为加筋土结构是利用筋材在土体中的摩擦锚固作用来保持挡土墙或工程边坡滑移土体与稳固土体的整体稳定。从笔者近期研究的成果及多年来所从事的加筋土工程实践看，很多有关加筋土的工程现象和工程问题都是用以筋-土分离模式为基础的计算理论难以解释的。与加筋土分离式计算理论体系相对应的是以极限平衡为核心的几种设计方法。这些设计方法基本上分为两大类，一类是极限平衡法，另一种是极限状态法。尽管这两种方法考虑了加筋土结构内稳定平衡因素和不同相关因素的差异，但其理论基础则是建立在刚体破坏的分析方法上。以“隔离体”作为分析的关键，首先必须假定一个破坏面，并认为破坏面以外的加筋土体是刚性破坏，对之进行隔离，再根据力的平衡计算加筋材料的受力。这显然不符合土这种散粒体的破坏规律。但由于极限平衡法简单、易行，在世界各国关于加筋土结构的设计规范中多数采用了建立在极限平衡基础上的计算分析方法。除了极限平衡方法外，国内外学者在寻找有效拟合加筋土结构真实受力状态的分析计算方法方面也做了许多值得借鉴的工作，总体上认为，应用有限元数值分析方法能较好地拟合散粒体结构的变形和破坏特征，是现阶段求解加筋土结构中土体和筋材应力和应变最有效的方法。国内外有不少学者在应用有限元法求解加筋土结构内部应力和应变方面均提出了自己的见解。多数学者在采用有限元分析方法时土体模型采用的是非线性弹性模型，刘华北提出应用弹塑性模型替代非线性模型能更好的反映土体和加筋的应力、应变状态 刘华北，土工格栅加筋土挡土墙设计参数的弹塑性有限元研究，岩土工程学报，2004年第9期，肖成志及栾茂田等提出了黏弹塑性有限元法 肖成志 栾茂田 杨庆等，加筋挡墙长期工作性能的黏弹塑性有限元分析，岩石力学与工程学报，2006年第10期，介玉新、李广信提出了等效附加应力分析法 介玉新 李广信，加筋土数值计算的等效附加应力法，岩土工程学报，1999年第9期等，这些方法均在一定程度上较好的反映了加筋土结构内部的受力和变形状态，但基本上还都属于筋土分离的计算理论体系，对加筋后土体强度特征的变化没有做出有效的反映。采用有限元法分析加筋土结构内部应力和变形的另一个趋势是将加筋土结构视为由土和加筋材料构成的复合结构，分析筋土这一新式复合材料的应力与应变关系。W. Jill Harrison等假设土与筋材组成横观各向同性复合材料，土与筋材为线弹性体。Karl M. Romstad等人忽略各向异性材料的耦合效应，推导出加筋复合土体的应力应变关系。国内学者周世良 周世良 刘占芳 王多垠 何光春，格栅加筋土挡墙数值分析的复合材料方法，岩石力学与工程学报，2006年第11期、陈永辉 陈永辉 赵维炳 汪志强，一个加筋复合土体的本构关系，水利学报，2002年第12期等提出将加筋土结构视为复合结构体，提出一个统一的本构模型来应用有限元法分析计算。张孟喜及孙钧在研究土工合成材料加筋土应变软化特性的基础上提出了三段式弹塑性计算模型用以进行有限元计算。这些都属于把加筋土视为复合材料的方法体系。复合式方法体系的优点在于将加筋土视为一种复合材料加以整体分析，既考虑了土和筋材的应力和变形也考虑了其相互作用引起的相邻区土体强度的变化特征。但这类方法的难点在于筋土复合体本构模型的选择和模型参数的确定目前尚没有统一的标准，还有待于进一步深入研究。加筋土结构内部强度分布特征在文献 朱海龙 邢义川 张爱军 张少宏，加筋粗粒土强度的试验研究，中国水利水电科学研究院学报，2013年第1期中，笔者分析了土工格栅加筋土的强度分布特征，认为加筋土强度不是筋材和土体强度的简单组合，在加筋土结构中，靠近加筋材料层面土体的强度和两层筋材之间土体的强度在数值大小上是不同的。笔者进一步通过大型直剪实验对与加筋格栅不同距离处的土体进行实验发现，加筋土结构内不同剪切面土体强度的确呈一曲线分布的特征。实验是在西北勘测设计研究院勘察院大型直剪仪上进行的。实验填料选用广西河池机场工程填筑路基的煤矸石填料，实验击实密度1.87 g/cm3，填料级配见表1。表1 实验用煤矸石颗粒级配表围压值 颗 粒 组 成 %40 mm4020 mm2010 mm105 mm5 mm100kPa12.0 24.8 22.2 16.2 24.8 400kPa11.2 26.5 22.5 15.1 24.7 800kPa10.7 24.6 21.3 16.5 26.9 1200kPa9.1 22.7 21.8 17.5 28.9 实验选用的加筋材料为Tensar SS40双向土工格栅，材料力学指标和几何特征见表2。表2 SS40土工格栅力学特性表纵（横）向强度纵（横）向尺寸极限强度40kN/mAL（AT）33mm2变形强度14kN/mWLR（WTR）2.2mm（2.5mm)5变形强度28kN/mTJ5.8mm最大控制变形11kN/m（10kN/m）TLR（TTR）2.2mm（1.4mm）图1 SS40土工格栅规格尺寸图按照上述实验条件共进行以了下几组直剪试验：图2：直剪试验筋材布置平面图3：直剪试验立面D1直剪（加筋材料布置在试样中线两侧各4cm距离，沿试样中线直剪）；D2直剪（加筋材料布置在试样中线两侧各8cm距离，沿试样中线直剪）；D3直剪（加筋材料布置在试样中线两侧各12cm距离，沿试样中线直剪）；D4直剪 加筋材料布置在试样中线下一侧8cm距离，沿试样中线直剪实验结果如表3：表3 加筋材料距剪切面不同距离直剪试验剪切强度表实验方案凝聚力C（MPa）摩擦角（）不加筋直剪，D0.0303233上下距中线4cm加筋直剪，D10.0463553上下距中线8cm加筋直剪，D20.0403444上下距中线12cm加筋直剪，D30.0373357中线下一侧8cm加筋直剪，D40.0403422用统一正应力将表3所测强度进行归一化处理后，可以看出，随剪切面离加筋材料距离变化，加筋土内部强度呈不断变化趋势。实验中D4实验只有一侧加筋，将D2强度指标减除D强度指标后折半略小于D4强度指标减除D2后的强度指标，说明该实验结果可能受到尺寸效应的影响。图4 加筋土强度随距筋材距离变化图尽管如此，从图4中实测的几点强度分布还是可以看出加筋土内部的强度分布随筋材距剪切面距离变化呈曲线变化的特征。将图中D1和D3数据点按分布趋势延伸，可以看到距筋材面越近，土体的抗剪切强度越高，反之当剪切面距筋材距离到一定长度后，土体强度将恢复到未加筋状态。等效强度方法的应用思路实际工程应中，做为加筋材料的土工格栅都是水平铺设在土体中，对于统一断面的加筋土挡墙和加筋土边坡来讲，其轴向距离一般都远大于几何断面中的水平侧向距离，加筋挡墙和边坡发生延轴向破坏的机率基本不存在，所以有限元计算中，一般都将加筋挡墙和加筋边坡视为平面应变问题进行分析。由于不考虑轴向破坏，在分析中可以认为用以构建加筋挡墙和加筋边坡的加筋土结构在其水平方向是各向同性的（横观各向同性）。从文献6的强度特征分析和上面的实验可以看到，加筋土内部土体的剪切强度因筋材的加入发生了纵向分布方向上的变化，不再是均质各向同性体，其强度变化与距筋材的距离呈非线性变化关系。土体的强度和应力、应变是密切相关的，因此这种强度特征的变化也同时反映了加筋土体水平变形模量在竖向上的变化关系，也就是说，加筋土的水平变形模量在竖向上变化与加筋材料的间距呈一定的函数关系。我们假定加筋土强度变化的函数关系可以用下式来表达： （31）式中，y为竖向模量影响系数x为竖向距离加筋材料的距离a,b,c为参数，由试验确定根据陈永辉提出的筋材层面处加筋复合土体的本构关系，当，时，有 （32） （33） （34） （35）式中，分别为土体和筋材的弹性模量和泊松比，可通过实验确定；为筋材和土体之间的相互作用力，与距筋材的竖向距离有关。在离开筋材一定距离x处，则有 （36）式中y（x）即为（31）所确定的变形模量影响系数。将不同距离处的分别代入式（32）至（35）即可求出整个加筋复合土体的应力和应变。而在不同距离处加筋材料累积的总应力和总应变则为加筋材料总体的应力和应变。对于，的其它变形状态，（36）式同样适用。由于是一个连续的二次函数，为了便于计算，可采用分段差值的方法近似用不同距离处的代替来进行计算（如图5示）。图5 等效强度代换