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1、收稿日期:2011 07 12作者简介:鲁红军(1969 )，男，河南叶县人，高级工程师，中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司市场开发部副处长，从事工程设计管理工作。数值模拟分析在加筋挡土墙工程中的应用鲁红军1，王辉2(1.中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京100120;2.阳泉煤业集团有限责任公司，山西 阳泉045000)摘要:加筋挡土墙结构由于既存在着墙面土压力、筋带的拉力、填料与筋带间的摩擦力，也存在有筋带尾部后面填土所产生的侧压力及临空墙面外侧可能施加的荷载等，其作用机理目前尚没有统一的计算公式来表达。为此运用有限元数值模拟分析对加筋挡土墙的稳定状态进行研究具有积极的意义。关
2、键词:加筋挡土墙;数值模拟;应力分布;哈尔乌素露天煤矿中图分类号:TU476+.4文献标识码:B文章编号:1671 0959(2011)10-0043-03加筋挡土墙只有同时达到了内部稳定和外部稳定，才能保证整个复合结构的稳定。目前由于加筋挡土墙的受力机理比较复杂，尚无完善而统一的设计方法。文章运用数值模拟的方法研究了加筋挡土墙结构体系中的填土、筋带及加筋土中的应力分布变化规律，并使用实际工程中已掌握的土钉墙支护现场监测数据及分析结果来检验数值模拟方法的可信程度。1工程概况哈尔乌素露天煤矿选煤厂产品仓是由一条地道和五个落煤塔组成的条形槽仓，断面呈“V”字形，主体为地下工程，埋深 25.5m。根
3、据其建筑结构要求和现场实际地形条件可知，产品仓基槽除需开挖一定深度外，在南、北侧地表还要进行填方处理，如图 1 所示。为此在实际设计及施工中采取了复合支护方案，即挖深段采用了土钉墙支护;填方段采用了加筋土挡墙，并同时制定实施了详细的现场监测工作。其中的加筋土挡墙就是文章所研究分析的对象。2数值模拟分析研究2.1数值模型建立产品仓加筋挡土墙由于采用的设计参数完全相同，且荷载沿其东西方向的分布相同，故为了提高计算效率，在使用有限元软件 ABAQUS 对加筋挡土墙进行数值模拟时，仅取 1 单位延米的北立面加筋土墙进行分析。图 1加筋挡土墙断面示意图模型如图 2 所示，加筋挡土墙坡脚为 55，填土高度
4、为6m，墙后填土的计算范围为 50m，沿加筋土倾斜的临空面自下而上布置第 1 至第 6 层面板，每块面板宽度为 1m，倾角同基坑倾角，竖直高度为 1m。在每块面板水平设置 2排、竖直方向设置上、中、下 3 层加筋材料;嵌入土体中的筋带长度为 30m，截面宽为 30mm，厚度为 2mm。由于在同一埋深筋带的受力规律是相同的，故在数值模拟中将模型中每单位延米的 2 条筋带进行均匀化处理，表现在数值342011 年第 10 期煤炭工程施工技术模型中每块面板的水平方向上仅设置一排筋带，筋带的宽度为 30mm，而其厚度为 4mm，截面面积为 120mm2。图 2模型示意图其中，压实填土的密度取 =200
5、0kg/m3，填土的弹性模量 E=70MPa，泊松比 =0.3，采用 Mohr Coulomb 塑性模型计算土体的塑性变形，取摩擦角 =30.7，膨胀角=0，不考虑土体的剪胀性，其屈服粘聚应力 c=28.9kPa。面板和加筋材料均采用弹性模型进行计算，面板为混凝土材料，取其密度 =2500kg/m3，弹性模量 E=30GPa，泊松比 =0.2;筋带为塑料内包钢丝的柔性材料，取其密度=5000kg/m3，弹性模量 E=50MPa，泊松比 =0.23。土体和面板均采用 C3D20R 单元，即 3 维实体 20 节点缩减积分单元。面板和土体之间设为摩擦的接触属性，其中法向为“硬”接触，切向为罚函数的
6、接触关系，摩擦系数为 0.3。考虑到实际填土墙中的加筋材料并不承受弯矩，仅仅承受拉压应力，故在数值模拟中采用 3 维 2 节点杆单元 T3D2 模拟加筋材料，加筋材料通过 Embedded 命令嵌入到土体中，土体和筋带协调变形。筋带和面板为一个部件(part)，故筋带和面板的变形和应力都可以相互的传递。本研究关注的重点为加筋填土墙中筋带在土体自重作用下，以及受到储煤仓中煤的水平压力作用后筋带的受力状态和挡土墙的安全状态。故在数值模拟中设置 2 个分析步，第一个分析步仅施加填土的自重，水平煤压在第二个分析步施加，其水平压力 p 按照公式 p=k0h 计算，其中 k0=0.5。土体和面板的顶面为自
7、由面;其在东西延米方向的宽度不变，即土体和面板前后面取位移边界条件，其在图示 3方向的位移为 0;土体的倾斜面在第二个分析步受到水平煤压的作用。2.2数值模拟结果分析2.2.1土体中 Mises 应力分布规律将土体在加筋与未加筋条件下的 Mises 应力分布云图表示在图 3 和图 4 中。对比土体在 2 种条件下的受力状态可见，加筋后土体的 Mises 应力有所减小，其应力分布更加的均匀。由图 4 可见，加筋挡土墙在重力作用下，其临空的倾斜面向外凸出;在受到水平煤压之后，挡土墙临空面土体向内部方向压缩，挡土墙的稳定性增强。当水平煤压作用在挡土墙上时，墙后填土中会产生被图 3未加筋挡土墙中的 M
8、ises 应力分布图图 4加筋挡土墙中的 Mises 应力分布图动土压力，将未加筋土体和加筋土体中的水平压力(即沿图示 1 方向的应力)表示在图 5 中。由图 5 可知，加筋土中由于筋带的存在，分担了部分外力，故加筋土体中的水平土压力较未加筋土体中的水平压力小。图 5填土中的水平应力分布图2.2.2筋带受力分布规律当加筋挡土墙的墙后填土仅受重力作用时，将沿筋体长度方向分布的应力表示在图 6 中。由于本挡土墙的临空面呈现 55的倾角，故填土顶部的部分筋带靠近面板的部分承受压应力，如图 6(a)所示，第 6 层面板上所布置的筋带6 上和筋带 6 中在接近面板的 1/3 长度内承受压应力，即该埋深之
9、上的土在自重作用下，有向墙后运动的趋势;在一定的埋深范围内(在本数值模拟中为筋带 6 下至筋带3 下的埋深范围内)，整个筋长范围的应力均为拉应力，且其最大拉应力的值随着埋深的增大而增大，其最大拉应力的作用点越来越远离面板。当筋带的埋深超过一定值后，如图 6(b)所示，(本数值模拟的结果为筋带 2 上至筋带 144施工技术煤炭工程2011 年第 10 期 下的埋深范围)，筋带内最大拉应力的值逐渐减小，并在填土最底层的筋带内又出现了压应力，筋带内最大应力作用点逐渐远离面板。除填土最顶面所铺设的 3 层筋带，在整个填土深度方向，筋带最大拉应力呈现出先增大后减小的趋势，其作用点由距离面板 6m 逐渐增
10、加至 10m。靠近面板附近的筋带的受力有很大的差异，但末端筋带内的应力状态趋向于一致。当挡土墙受到水平煤压后，其中筋带中的受力分布表示在图 7 中。如图 7 所示，由于挡土墙受到了被动土压力的作用，墙后填土中的浅部的筋带处于受压的状态(图7a)，深部的筋带处于部分受压部分受拉的状态(图 7b)。由图 7a 可知，随着筋带埋深的增加，在一定的埋深范围内(本数值模拟为第 6 层面板至第 3 层面板的深度范围)，筋带内所受的压应力逐渐变小，且筋带内压应力最小点距面板越来越远;在距面板较远处，筋带内的压应力值大小基本相同。在第 3 层面板上的“筋带 3 下”中，在距面板 79m 处出现了拉应力，在远离
11、面板的筋带内仍受压应力。在筋带 2 上至筋带 1 上的深度范围内，如图 7b 所示，筋带中的部分长度受拉应力，拉应力的分布范围和其值均随埋深增加;但是在筋带 1 中深度之下，筋带中仍有拉应力的分布，但拉应力的分布长度和其值的大小均随埋深减小;在远离面板的筋带中的压应力随着埋深的增加而增大。图 6仅受重力作用各层筋带沿其长度方向的应力分布图图 7施加水平煤压后各层筋带沿其长度方向的应力分布图3结论从模拟数值看，出现了负值。这是因为数值模拟方法模拟的是理想状态下的受力，当出现负值时说明筋带是受压的，而实际状态是不可能的，只能表现出筋带所受拉力减小甚至为零。在筋带最大应力点方面，模拟的数值说明筋带内
12、最大应力作用点逐渐远离面板，这和现场测量得到的数值趋势是一致的，说明筋带采用杆单元及上述的处理方法是可行的。参考文献:1北京华宇工程有限公司 神华集团准格尔能源有限公司哈尔乌素露天矿选煤厂岩土工程详细勘察报告 R，2004 2北京华宇工程有限公司 神华集团准格尔能源有限公司哈尔乌素露天矿选煤厂设计方案 R，2004 3JGJ 120 1999，建筑基坑支护技术规程 S 4CECS 96 1997，基坑土钉支护技术规程 S 5JGJ 79 2002，建筑地基处理技术规范 S 6GB 50026 1993，工程测量规范 S 7JGJ/T8 97，建筑变形测量规程 S 8GB 50007 2002，建筑地基基础设计规范 S 9李碧雄，张利民双面加筋土高挡墙的破坏特性研究J 岩土工程学报，1996，(06)10栾茂田，李敬峰，肖成志，等土工格栅加筋挡土墙工作性能的非线性有限元数值分析 J岩土力学与工程学报，2005，24(14)(责任编辑章新敏)542011 年第 10 期煤炭工程施工技术