加筋土挡墙稳定性计算及有限元分析 王振军摘（山东科技大学土木工程与建筑学院青岛２６６５９０） 要：以Ｈｅｎｒｉ等人总结的设计原理作为理论依据，提出假设并对某加筋土挡墙实例进行实验，分别 利用理论计算与数值模拟两种方式对挡土墙的稳定性进行分析与改进，得到挡土墙在竖向荷载作用下的 变形图，验证得出其稳定性满足要求。 关键词：加筋土挡墙；稳定性计算；有限元分析 ０ 引言 近几年来，随着加筋土设计理念的不断深入， 使得这种技术在国内外均得到了广泛的应用。加 形成土体一筋条复合体共同作用，这既能够克服土 体抗剪强度低甚至没有抗拉强度的弱点，又使其 稳定性得到显著增强。Ｈｅｎｒｉ等人又根据试验来进 一步解释了土体与筋带之间的相互作用原理即摩 筋土挡墙作为一种土体与钢筋的复合支档结构物， 由于其制作成本低、抗震性能好，已被岩土工程 擦加筋原理［２１。 以Ｈｅｎｒｉ等人总结出来的设计原理作为理论 依据，该挡土墙在进行稳定性分析计算及分析时 行业所广泛采用。但由于土体自身力学性质复杂 多变，如何解决加筋土挡墙在实际应用中的失稳 问题意义重大。 可做出以下基本假设： （１）挡墙面板承受后方土体产生的主动土压 力，且各部分加筋体承受相应的土压力并由有效 摩阻力一抗拔力来抵消； １ 设计原理及假设 加筋土挡墙是在土体中加入加筋体，利用土 体和加筋体之间的摩擦作用，使土体的工程特性 与变形条件均得到改善和提高，从而能够实现稳 （２）土体和加筋体之问的摩擦系数保持不变； （３）土体自重及外力在筋体有效长度上产生 的摩擦阻力均具有有效性，且加筋体受到的荷载 均匀分布在整个拉筋长度上； （４）因提供的挡土墙墙体材质为白卡纸且墙 定土体的一种结构；是一种应用加筋土的原理， 通过布置在填料中的拉筋与填料之间的摩擦力来 稳定土体的支挡结构ｌ１ｌ。本文所引用的土压力理论 背竖直、光滑，填土压实水平，所以采用朗肯土 压力理论【 ］。 和计算式大多建立在弹性半空间的前提下，考虑 到土体填料为干燥、洁净的中粗砂，可近似将土 体看作弹性体。 土体因重力的存在能够保持直立于一定小的 坡度范围内，而当坡角达到某一临界角度或存在 ２ 实验结果分析 设计挡土墙后的实验过程中发现，挡土墙正 面的上、下侧部分比中间部分变形稍大，在加上 竖直方向静荷载之后，挡土墙变形增长，但差异 较小，经测量三面都在误差范围之内，继续加荷载 之后，挡墙变形略微增长但仍保持在规定的变形范 围内。根据实验结果分析，我们得出以下结论： 加筋体借助在填土自重及外力作用下会引起 窀＠龟坦 固＠＠＠龟理固＠毡＠ ＠固＠惹 ＠ 哩＠＠窀哩 视龟 毡＠ 曼 ） 外力的影响，会使结构整体发生严重的变形甚至 坍塌，为能够实现加筋体与土体之间产生较大摩 擦力，使土体性能得到很大提高，在土中沿应变 方向埋置具有挠性的筋条形成加筋土，从而使加 筋土在某种程度上具有粘着性能，使土体与筋条 ３固 ＠ ＠ 雹＠ 廷 ＠ ＠ ３固 ＠ ＠ ＠ ＠窀哩 窀晓 ＠ 一雹＠ ［２１住房和城乡建设部．ＪＧＪ ５５～２０１１，普通混凝土配合比设计规程［ｓ］． ． 作者简介：杨云祥（１９６６一）， 男，汉族，云南大理 ｒ３１中华人民共和国建设部星 版ＪＧ社Ｊ６出３＿２版００’６ 。 十拌合用桕ｓ１ ｊＥ京． 人，本科，高级工程师，研究方向：建设工程质 混凝土拌合用水 １．北京： ／ ，／＋＼ ｌ ，问钗－Ｌ 】王 ， 】丸／７ ｌ ：琏－收 ｌＩ 一 ，中国建筑工业出版社出版，２００６． 量监督和质量控制。 收稿日期２０１７—０４－２０ （责任编辑：何彬） 选材笈辔寺 ２０１７年第１５卷 ５２ 填土向偏离挡墙方向产生整体滑移而产生的摩擦力 发挥其作用，使挡墙的侧向位移得到一定，也 减小了面板挡墙的横向位移，从而提高了挡土墙的 稳定性；但在实验中发现面板上边缘部分变形稍 大，向外稍有鼓胀，中间部分基本无变形，超载后 稳定性规范可知，［ 】不应小于１．３。 式中： ∑Ｎ一作用在基底上的水平力总和，ｋＮ； ｆ’一填土与加筋体底面之间的摩擦系数，取 ０．４５； 断裂发生在筋条与面板连接处，出现了应力集中现 象，而断裂后的筋条能保持整体的完整性，导致了 筋条的拉力没有充分发挥出来。且距挡墙面板底端 高度为１／３处出现的土体滑移现象较为明显。 因此作出以下决定： （１）挡土墙正面的上、下侧部分比正中间变 形稍大，因此在装砂过程中一定要注意埋砂力度， 防止挡墙有较大变形并且避免应力集中现象； （２）在后续实验中，可在每一层中间部分的 加筋条原有长度的基础上，对其进行适当增加， 以保证挡墙的位移变形满足要求，进一步提高其 承载能力。 ∑ｒ卜作用在基底上的竖向力总和，ｋＮ。 经计算，Ｋｃ： Ｊ ：３．７＞１．３，故可知满足。 对于地基承载力计算，由实验规则的实际性 可知，加筋体不受到偏心荷载，故挡土墙的地基 承载能力能够满足要求，不会因基底压应力超过 限定值而发生过度变形甚至倒塌。 ３．２内部稳定性计算 内部稳定性计算即为使加筋挡土墙在填土自 重和外力的共同作用下能够保持较好的稳定性， 对所加入的筋体所做的内部分析的一种计算方法， 即抗拔稳定性分析计算。加筋体的截面形状、尺 寸，布置间距、长宽比例，还有作用在挡墙面板 ３ 稳定性分析 内部稳定性和外部稳定性共同决定着挡土墙 的稳定性。当任意一稳定性超过一定的范围要求 后，就会发生倒塌破坏，因此分析并保证其稳定性 满足要求是重要前提，ｘ￣；ｂ－案的优化及改进有指导 上的主动土压力、土体性质等ｌ ４ｊ因素都会影响其内 部稳定性。验算时将土压力视为作用力，拉筋摩 擦阻力视为抗拔力，验算全墙抗拔稳定性。 全墙抗拔稳定性用稳定系数Ｋｓ反映，即全墙 抗拔力与其所受的水平土压力之比。在进行抗拔 作用。通过外部稳定性计算分析挡墙的抗滑移能力 和地基承载能力，然后进行内部稳定性分析进一步 力稳定性计算中，由于加筋体的宽度和长度值远 大于其厚度值，故其侧面产生的摩擦力可以忽略 不计。由计算结果可知抗拔稳定系数Ｋｓ大于２．０， 故抗拔稳定安全满足要求。 分析其抗拔能力，从而保证挡墙同时满足要求。 ３．１外部稳定性计算 抗滑移稳定性能力和地基承载能力共同影响 挡土墙的外部稳定性。在进行外部稳定分析计算 时，该挡墙可被看作整体重力式挡土墙，且将其 看作为刚体去承受外部荷载对挡墙产生的作用力。 ４ 有限元分析 有限元分析是一种适应于计算机技术的较为 新颖且有效的分析方法。现如今随着计算机技术 的飞速发展，有限元的数值分析方法得到了广泛 的应用。作为一种将复杂问题转换为简单问题后 再去求解的一种分析方法，它将平面问题延伸到 空间问题，从静力学问题扩展到动力学问题等。 所有的这些作用力在考虑各种分项安全系数后会 作用在底部基础上，并用于所考虑到的破坏方式， 如基础的承载力、基础上的滑移等其他方式下的 安全的分析计算方法。 抗滑移稳定系数Ｋｃ即表示加筋体在竖向外荷 载作用下，加筋体与地基问产生摩擦力抵抗其滑 移的能力指标，即： Ｋｃ： ≥［磁］ （１） 传统的分析方法如极限平衡分析不能够精确分析 加筋挡土墙中的存在变形特性和位移特征，而有 限元的分析计算方法，不仅能够实现精度上的要 求，而且可以适应于各种复杂的形状，在实际３２ 程中是一种重要的分析计３９７ｓ￣。 有限元模拟部分采用Ａｂａｑｕｓ软件进行模拟计 若作用在挡墙上的总水平力小于基地抗滑力， 那么挡墙不会发生基底滑动破坏。由挡墙抗滑移 算，通过对模型的建立、材料属性的赋值、加载 ５３ 遭僦寺匀２０１７年第１２期 《： 一右土体的变形依次减小，从而保持稳定的状态。 的变形量，向右依次出现６．２６ｅ一４ｍ、５．０７ｅ一４ｍ、 ３．８７ｅ一４ｍ、７．１６ｅ—４ｍ、１．７８ｅ－－４ｍ……１．１０ｅ一６ｍ的变 等过程的处理，在经过计算机的分析计算，最终 得到模型在设计荷载作用下所产生的受力和变形 等相关结果，此处仅通过变形来分析模型的稳定 性｛ 。本次模拟采用的模型包括了三个部件，分别 是土体，加筋材料和挡土面板，通过三者装配成 的整体便是本次模拟采用的模型。在材料和截面 特性设置中对ｊ个部件分别进行赋值。在模拟计 算过程中，对模型所用到的砂土计算中采用摩尔一 库仑理论，加筋体和挡墙面板采用线弹性模型。 加筋体的位置及长度布置见图１，对模型的 分析主要是进行其稳定性的模拟，对模型的加载 形量，即表示右侧土体变形几乎为零，左侧部分向 通过有限元模型分析最终得出，设计模型的 合理性较好，结构可保持较好的稳定性，变形量 也可控制在合理范围内。 ５ 结语 加筋土挡墙是一种新型的支挡结构，在设计 时以各种基本假设和设计原理为理论依据，对设 计内容进行合理分析及稳定性计算。应用有限元 分析不仅能够使位移和力满足平衡条件，而且将 加筋体与填土之间的变形协调作用考虑其中，模 拟的结果能使人们方便地掌握挡墙的形变量。如 本文结合某加筋土挡土墙的实例，对其稳定性进 行验算，并利用有限元方法对其进行了数值分析， 得出稳定计算结果，从而指导实践。 分为两个步骤，一是重力作用，目的是分析在自 重力作用下模型的稳定性情况，从模拟结果来看 结构的变形基本为零，其应力分布情况是随土层 深度增加而增加，与计算结果相符；二是竖向荷 载作用，目的是模拟土体在附加荷载作用下的受 力和变形情况，观察结构能否保持稳定。 参考文献： 【１］雷胜友．现代加筋土弱！论与技术『Ｍ１．北京：人民交通出版社，２０１６． 【２】李海光．新型支挡结构设计与Ｔ程实例［ＭＩ．北京：人民交通出版社． ２００４． ［３］张克恭，刘松玉．土力学［Ｍ１．北京：中国建筑工业出版社，２００１． 【４】李海深，杨果林，邹银生．加筋土挡土墙动力特性分析『Ｊ１＿中国公 路学报，２００４，ｒＯ２１：２９—３２＋５０． ［５】王佳运．基于ＡＮＳＹＳ加筋土挡墙有限元分析ｆＤ１．长安大学，２００５ 图１荷载作用下的竖直方向变形图 收稿日期：２０１７—０３—３１ 变形是分析结果稳定性最直观的表现。图ｌ给 出了在竖向荷载作用下结构的竖直变形情况，由图 作者简介：王振军（１９９５一），男，汉族，山东聊城 中可看出结、构土体变形最大的区域是左上部分， 整体来看形成一滑动楔体，破裂面也可形成一圆弧 状滑动面，左上部分变形最大的部位达到７．１６。－４ｍ ～…………“一＾一 ＋“＋＊＋－＋一＋一＋－＋－＋－＋＊＋－＋人，本科在读，研究方向：土木工程。 （责任编辑：何彬） －＋。＋・－＋一＋ ＋一＋”＋－＋＊＋＊＋－＋一＋一＋ ＋一十一＋－＋ ＋－＋一＋一＋－＋ 广西将全面启动装配式建筑试点项目建设 来自中国建材报的消息，据广西壮族自治区住房和城乡建设厅透露，２０１７年广西将以南宁、柳州、 贺州３个试点城市为重点，侧重投资公共工程和保障性安居工程，全面启动装配武建筑试点项目建 设，项目成品可精确到毫米级。 据悉，全面启动装配式建筑试点项目建设将结合工程总承包模式和建筑信息模型技术开展，并探 索和实施重点开发城区强制采用装配式建筑的措施。 “推广新技术可精准到毫米，既避免可能出现的盲目施工和返工损失，又便于施工全程可视化管理， 让房子质量更过硬。”自治区住房和城乡建设厅相关负责人介绍，广西将在南宁、柳州、玉林、贺州４ 市建成投产４个装配式建筑生产基地，制定装配式建筑发展规划，完善相关地方标准，并将在相关院校 开设装配式建筑专业课程，校企结合，加快装配式建筑的队伍培育。 选 寺匀 ２０１７年第１５卷 ５４
