加筋挡土墙内部稳定分析计算的新思路

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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.JillHarrison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。KarlM.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

6、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

7、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

8、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1.87g/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%>40mm40~20mm20~10mm10~5mm＜5mm100kPa12.024.822.216.224.8400kPa11