土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析.pdf

第32卷第1期江西水利科技Vol.32No.1
2006年3月JIANGXIHYDRAULICSCIENCE&TECHNOLOGYMar.2006

土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析

刘军1,束一鸣1,赵浩2

(1.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;
2.江西省南昌市第五建筑安装工程公司,江西南昌330003)

摘要:通过将加筋挡墙结构离散成土体单元、格栅单元和接触单元,采用三维快速拉格朗日分析(FLAC3D)有限差分程序
对土工格栅加筋挡墙进行了数值计算,得出了挡墙变形分布规律和筋材的受力性状.结果表明此方法合理,具有一定的实用
性.
关键词:土工格栅;加筋;挡墙;FLAC3D程序
中图分类号:TV339文献标识码:B文章编号:1004-4701（2006）01-0028-04

了离散元法的缺陷,吸取了有限元法适用于各种材料
0前言的三维力学行为。同时,在计算中采用“混合离散化”技
术和拉格朗日分析,可以准确地模拟材料的屈服、塑性
加筋挡墙结构是由填土、拉筋和面板三者结合而流动、软化直至大变形。因此,本文运用美国ITASCA咨
3D
成的一种新型复合支挡结构。这种结构的特点是将某询集团公司的FLAC有限差分程序对土工格栅加筋
些形式的拉筋埋在填土中,依靠它们与填土的相互作硬面挡墙进行数值模拟分析。
用来平衡土压力,因此它对地基的适应性和承受变形
的能力较强。随着土工合成材料工业的发展,20世纪1数值分析的计算模型
70年代以后出现了多种非金属筋材。土工格栅作为一
种新兴的土工合成材料,具有高强度、低延伸率、与土1.1土体单元的本构模型
咬合力强、耐久性好、不易蠕变等优点,是一种理想的土体属于粘弹塑性变形的混合体,应力应变关系
加筋材料,被广泛地应用于铁路、公路和港口的挡墙设是非线性的。本文采用目前应用较多的弹塑性非线性
计上。本构关系,并运用Mohrˉcoulomb屈服准则。
随着土工格栅加筋挡墙的大量修建,对其的认识对于Mohrˉcoulomb屈服准则,其表达式:
及设计理论有了显著提高。但是,按照传统的基于极限
f=τ-(c+σntanφ)=0(1)
平衡理论的分析方法,无法考虑土体应力应变的非线式中:τ—剪应力;
性关系,也无法考虑筋材的应力应变特性,无法考虑土
σn—法向应力(压应力为正);
体与筋材的相互作用关系,难以考虑复杂的边界条件c—粘结力;
和荷载条件,从而难以真实的反映出挡墙的实际情况,φ—内摩擦角。
而数值模拟可以克服上述不足,使计算结果更加精确借助于应力不变量表示为:
合理。
f=1Isinφ+J(cosθ-1sinθsinφ)-ccosφ=0(2)
三维快速拉格朗日分析(FLAC3D)是近年来逐步成31!2
!3
熟完善起来的一种基于三维显式有限差分法的新型数33J
式中:θ—θ=1sin-(1-!3);
值分析方法。它的基本原理类似于离散元法,但它克服33/2
2(J2)

收稿日期:2005-10-14
作者简介:刘军(1976-),男,硕士研究生.
第32卷第1期刘军等土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析29

I1—应力张量的第一不变量;某地区修建一座土工格栅加筋式挡墙(如图3所

J2、J3—分别为应力偏量的第二和第三不变量。示),挡土墙墙高H=6m,无浸水情况,墙后填土为砂性
土,填土密度为1.8t/m3,内摩擦角为φ=30°;挡墙面板
由式(2)可知,当σ1=σ2=σ3时,平均静水压力σm=
为C20砼板,板厚20cm;土工格栅间距为0.6m,共10
ccotφ,可见,Mohrˉcoulomb屈服准则指出静水压力σm
将影响屈服。层,容许拉应力[Ta]=30kN/m,设计长度4.2m,与墙面
1.2格栅单元的本构模型牢固连接;地基为碎石土地基,地基承载力高,压缩性
土工格栅的受力特点是只能受拉,不能受压,且抗小。
弯刚度小,与薄膜材料的特点类似,故采用薄膜单元来
τmax
模拟筋材的应力应变特性。由于土工格栅的抗拉强度
和模量比较大,拉伸曲线在应变较小的情况下(一般小
于)呈直线,考虑到土工格栅在填土中所受的拉力
5%φ
远小于其抗拉强度,则可以将格栅单元的本构关系近
似地看作线弹性。c
拉力
1.3接触单元的本构模型σn压力
目前,针对界面的接触问题已发展了许多接触单
图2界面强度准则
元,有两节点单元、无厚度Goodman单元、Desai薄层单
元、有厚度单元等等。本文采用FLAC3D程序中提供的2.2数值分析的计算参数
土工格栅接触单元来模拟土体与格栅的界面特性。以计算参数详见附表。
此来反映土体与筋材的相互作用关系,这种单元的特2.3计算结果与分析
点是在法线方向上与格栅表面刚性连接,在切线方向2.3.1墙面水平位移
相当于格栅表面的弹性滑块,以此来实现对