基于FLAC3D加筋格賓擋土墻數(shù)值模擬分析

楊貞貞，安美運(yùn)，伯彥萍，梁凱圣，牟碧洲

(1.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 55000；2.中建有限責(zé)任公司，北京 100000)

在1984年，格賓擋墻使用在防洪治理項(xiàng)目上，在2007年，Ethekwini市KwaZUlu-Natal將加筋格賓擋土墻應(yīng)用于海岸工程的支護(hù)中。由于加筋格賓擋土墻具有施工簡(jiǎn)易、占地少、造價(jià)低廉、柔性強(qiáng)、抗震性能好、建筑高度不受限制以及對(duì)地基變形的適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在公路、鐵路、河道以及機(jī)場(chǎng)等高填方工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。加筋格賓擋土墻的支擋原理是利用加筋材料和填料之間的摩擦作用來(lái)限制土體的變形，進(jìn)而在一定程度上提高土體的抗剪強(qiáng)度。近年來(lái)，由于加筋格賓擋土墻自身具備較好的防洪能力、生態(tài)及景觀功能而被廣泛應(yīng)用于河道治理中，其已將現(xiàn)代水利工程學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境學(xué)等融為一體，對(duì)景觀河道以及人水和諧起到重大作用。這一結(jié)構(gòu)形式在河道工程應(yīng)用中取得了較好的成效，但對(duì)這種新型擋土墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和安全穩(wěn)定性研究還未全面深入，開(kāi)展加筋格賓擋土墻的研究分析能填補(bǔ)相應(yīng)的空白。

圖1 加筋格賓擋土墻

加筋格賓擋土墻的安全性計(jì)算通常采用剛體極限平衡方法和數(shù)值計(jì)算方法。剛體極限平衡理論簡(jiǎn)單明了，但未考慮土體的彈塑性破壞特性，適用于地質(zhì)簡(jiǎn)單的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。數(shù)值計(jì)算方法通常是根據(jù)安全系數(shù)的定義，劃分單元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。該方法具有計(jì)算精確、可考慮彈塑性破壞特性的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。加筋格賓擋土墻如圖1所示。

本文以貴州省劍河清水江防洪堤項(xiàng)目為例，基于FLAC3D下的數(shù)值計(jì)算法研究加筋格賓擋土墻的力學(xué)特性及安全穩(wěn)定性，并結(jié)合擋土墻施工過(guò)程及不同河道水位下工作情況，數(shù)值擬合不同參數(shù)對(duì)加筋格賓擋土墻影響結(jié)果合理性，揭示各工況、不同參數(shù)下?lián)跬翂Φ牧W(xué)特性及安全穩(wěn)定性。

1 模型建立及驗(yàn)證

1.1 基本原理及計(jì)算模型

1.1.1基本原理

本文基于FLAC3D分析研究加筋格賓擋土墻的安全穩(wěn)定性，計(jì)算方法類(lèi)似利用強(qiáng)度折減法分析計(jì)算，通過(guò)不斷對(duì)巖土體強(qiáng)度指數(shù)c和φ值折減，推出新的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′和φ′，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)逐漸接近極限狀態(tài)，則滑裂面達(dá)到極限平衡狀態(tài)的抗滑力與滑動(dòng)力之比即為安全系數(shù)。

τ=c′+σtanφ′

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，c、φ—黏聚力，內(nèi)摩擦角；c′，φ′—巖土體極限平衡狀態(tài)時(shí)黏聚力，內(nèi)摩擦角；σ、τ—主應(yīng)力、剪應(yīng)力。

通過(guò)確定安全系數(shù)的大致范圍K∈[Ka，Kb](Ka

1.1.2工況設(shè)計(jì)

本次模型結(jié)合實(shí)際工程情況，分析施工以及不同河道水位運(yùn)行過(guò)程中，得出不同參數(shù)下的力學(xué)特性以及安全穩(wěn)定性。本次工況分為4組，第1組(G1工況)試驗(yàn)工況是用純土制備試驗(yàn)邊坡。第2組(G2工況)試驗(yàn)工況是增設(shè)加筋格賓擋土墻，是第1組(G1工況、不設(shè)格賓)的對(duì)照組。第3組(G3工況)試驗(yàn)工況是在第1組(G1工況)試驗(yàn)工況上用相似材料代替20cm厚度的基巖面，對(duì)比無(wú)基巖面的工況模型試驗(yàn)規(guī)律。第4組(G4工況)試驗(yàn)工況是在第3組的基礎(chǔ)上增設(shè)加筋格賓擋土墻，并且按照實(shí)際施工方法，將擋土墻嵌入基巖面鋪設(shè)加筋格賓擋土墻。具體的模型工況見(jiàn)表1。

1.1.3本構(gòu)模型

FLAC3D軟件提供了19種初始單元模型，并且這些初始單元模型對(duì)建立規(guī)整的三維巖土體模型具有快速、方便的功效。

表1 模型工況表

在程序模擬過(guò)程中，選擇一個(gè)合適的本構(gòu)模型不僅可以使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際況，而且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)更加流暢。為了尋求更好的本構(gòu)模型，在建模之前參考了程序中關(guān)于本構(gòu)模型的介紹，本次模擬選擇莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

1.1.4幾何模型

本次模型選取貴州省劍河清水江防洪堤項(xiàng)目的邊坡模型，本工程采用加筋格賓擋墻對(duì)堤防邊坡進(jìn)行防護(hù)，擋墻基礎(chǔ)放置在密實(shí)砂礫石層上或巖石層上，加筋格賓擋墻由2.0m×1.0m×1.0m(長(zhǎng)×寬×高)的加筋格賓堆砌而成，面墻每升高1m退臺(tái)0.25m(形成1∶0.25的邊坡)，本次在模擬過(guò)程中對(duì)格賓擋墻模型進(jìn)行了優(yōu)化。

在FLAC3D中建立模型首先利用BuildingBlocks對(duì)模型進(jìn)行初步的建立，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行提前分組，以便后期參數(shù)賦值等操作。

圖2 利用BuildingBlocks建立模型

數(shù)值模擬中關(guān)于加筋格賓面層的模擬，是采用FLAC3D中的Geogrid模塊中專(zhuān)門(mén)的土工格柵單元，土工格柵結(jié)構(gòu)元素是三節(jié)點(diǎn)、平面和有限元素。土工格柵元素表現(xiàn)為各向同性或正交各向異性的線性彈性材料，沒(méi)有失效極限。筋帶視為可承受拉伸作用的線彈性體，用Geogrid單元離散。本文利用彈塑性模型來(lái)描述筋-土界面的性質(zhì)，從而模擬筋土的相互作用。

利用BuildingBlocks建立模型后，將模型導(dǎo)入Model Panes界面，按照上述參數(shù)對(duì)筋帶面進(jìn)行定義。如圖3所示。在此界面板塊對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚吞幚砗螅瑢⒛Ｐ蛷脑摪鍓K中導(dǎo)出并保存文件，在后期的命令流建模中導(dǎo)入這些文件。

圖3 利用Model Panes優(yōu)化模型

對(duì)于各個(gè)工況中的水位線，利用實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行水位浸潤(rùn)線的空間模型建立。在浸潤(rùn)線的建立過(guò)程中用到了Rhinoceros5.0軟件，部分浸潤(rùn)線如圖4所示。

圖4 G2、G3工況浸潤(rùn)線

在建立好模型和水位線后，利用FLAC3D命令流對(duì)模型設(shè)定邊界條件約束及賦予數(shù)值，設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算，最終導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)和云圖后再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1.1.5參數(shù)選取

加筋格賓擋土墻中的土體、格賓等材料參數(shù)特性如實(shí)選取，具體材料參數(shù)值見(jiàn)表2。模型建立后對(duì)各材料賦予參數(shù)特性值，對(duì)其進(jìn)行模型驗(yàn)證及模擬研究分析。

1.2 模型驗(yàn)證及數(shù)值模擬分析

1.2.1數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本次驗(yàn)證是選取室內(nèi)試驗(yàn)中G1、G2、G3工況中的部分傳感器測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模型分析結(jié)果進(jìn)行比較，具體成果如圖5所示。

綜上，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)分析對(duì)比中可得試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)變化方向一致，變化增長(zhǎng)率總體上較為合理。在數(shù)值大小上，兩者差值較小。因此，本次數(shù)值模擬能夠預(yù)測(cè)不同試驗(yàn)工況模型的相關(guān)結(jié)果，對(duì)工程前期設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

表2 材料特性

圖5 傳感器數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.2.2數(shù)值模擬分析

在不同水位的影響下，采用FLAC3D分析增設(shè)基巖、邊坡材料、格賓擋土墻下的總位移、最大剪應(yīng)力、孔隙水壓力以及安全系數(shù)等結(jié)果，從結(jié)果中進(jìn)一步分析加筋格賓擋土墻的力學(xué)特性與安全穩(wěn)定性。

(1)各工況模擬結(jié)果

①不同工況位移結(jié)果分析

從圖6—9可得，各工況隨著水位的變化，邊坡的總體滑動(dòng)面和總位移趨勢(shì)存在較大變化。各個(gè)模擬結(jié)果中的變化趨勢(shì)基本相同，擋土墻坡腳處總位移最大，底部及坡頂位移較小，坡面及坡腳處位移數(shù)值較大。圖中明顯呈現(xiàn)帶狀區(qū)域，滑裂面呈現(xiàn)圓弧型。隨著水位的升高，圓弧型滑裂面朝x負(fù)方向移動(dòng)。隨著基礎(chǔ)、邊坡支護(hù)的條件提高，圓弧型滑裂面朝x正方向移動(dòng)。

圖6 G1工況各水位總位移云圖

圖7 G2工況各水位總位移云圖

圖8 G3工況各水位總位移云圖

圖9 G4工況各水位總位移云圖

從圖10可得，隨著水位的逐漸升高，擋土墻總位移呈現(xiàn)先降低后緩慢增大的趨勢(shì)，G1工況總位移最大，G2工況總位移次之，G3、G4工況總位移差別不大，其中G4工況的總位移最小。受到加筋格賓以及基巖面的影響，擋土墻的總位移隨著水位的上升趨于穩(wěn)定，變化較小。水在低水位時(shí)對(duì)擋土墻的總位移影響較大，在較高水位時(shí)水對(duì)擋土墻的影響將減小，因0.325m的低水位恰好漫過(guò)坡腳處，由此可得出水對(duì)坡腳的浸潤(rùn)可使坡體位移明顯減小，說(shuō)明水對(duì)坡腳的影響極大。高水位變化時(shí)，水位上升，總位移也小幅度增大。依據(jù)位移云圖與數(shù)值分析可得，坡腳及邊坡坡面至坡體內(nèi)部浸潤(rùn)區(qū)域?yàn)槲灰谱畲髤^(qū)域，屬于模擬結(jié)果位移最大區(qū)域，在實(shí)踐工程需要對(duì)此重點(diǎn)實(shí)施加固措施。

基巖層在試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吰轮袑?duì)于位移影響最大，增設(shè)加筋格賓支護(hù)影響次之，兩者結(jié)合的模型邊坡位移最小。因此，在實(shí)踐工程中，基礎(chǔ)條件好的情況下，增設(shè)加筋格賓支護(hù)可有效減小邊坡的位移。

圖10 不同工況下的總位移變化圖

②不同工況數(shù)值模擬應(yīng)力分析

從圖11可得，G4工況最大剪應(yīng)力最大，G3工況次之，然后是G2工況，G1工況剪應(yīng)力最小。隨著水位上升，剪應(yīng)力逐漸增大。

圖11 不同工況下的最大剪應(yīng)力變化圖

在邊坡的模擬分析過(guò)程中，基巖層對(duì)于剪應(yīng)力的減小影響最大，其次加筋格賓對(duì)于剪應(yīng)力的減小也起到重要作用。在保證邊坡為增設(shè)加筋格賓支護(hù)的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)為基巖層的情況下，會(huì)使得剪應(yīng)力隨著水位的變化保持平穩(wěn)，剪應(yīng)力在洪水位設(shè)計(jì)工況時(shí)稍有增大。

③不同工況數(shù)值模擬孔隙水壓力分析

根據(jù)圖12—15，可得出孔隙水壓力隨著水位升高而逐漸增大。根據(jù)數(shù)值模擬孔隙水壓力隨著水位的增加，最大孔隙水壓力位置向內(nèi)部蔓延，由于水流從右側(cè)邊界滲入，數(shù)值模擬依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的浸潤(rùn)線設(shè)置水位，坡面區(qū)域孔隙水壓力增加，坡體內(nèi)部綠色區(qū)域面積緩慢增長(zhǎng)，孔隙水壓力沿著坡面爬升方向增大。

圖12 G1工況各水位孔隙水壓力云圖

圖13 G2工況各水位孔隙水壓力云圖

圖14 G3工況各水位孔隙水壓力云圖

圖15 G4工況各水位孔隙水壓力云圖

從圖16可得，孔隙水壓力數(shù)值大小在各工況下相差不大，增長(zhǎng)變化趨勢(shì)幾乎相同，G4工況孔隙水壓力較小，G1工況孔隙水壓力增長(zhǎng)最快，G2孔隙水壓力與G3工況變化基本一致。

加筋格賓擋土墻在數(shù)值模擬中對(duì)于孔隙水壓力變化影響最大，基巖層對(duì)于孔隙水壓力的變化影響次之。在增設(shè)有加筋格賓支護(hù)，同時(shí)基礎(chǔ)為基巖層的情況下，會(huì)大大減小水流入滲坡體的速度，進(jìn)而減小坡體內(nèi)的孔隙水壓力。

圖16 不同工況下的孔隙水壓力變化圖

(2)安全穩(wěn)定性分析

在水位變化的過(guò)程中，各工況的安全系數(shù)排序?yàn)椋篏4工況﹥G3工況﹥G2工況﹥G1工況。G1工況在水位為0.325m時(shí)，安全系數(shù)小于1.3，G2工況在水位為0.515m時(shí)，安全系數(shù)小于1.3，可得到水位變化影響下的危險(xiǎn)水位。G3、G4工況的安全系數(shù)具有近似的趨勢(shì)，都是隨著水位的升高，安全系數(shù)逐漸增大，在G4工況在水位為0.815m時(shí)，安全系數(shù)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。如圖17所示。

圖17 不同工況下的安全系數(shù)變化圖

綜上，在增設(shè)格賓支護(hù)、基巖的情況下，隨著水位的上升，可有效提高格賓擋土墻安全系數(shù)；當(dāng)邊坡無(wú)格賓支護(hù)的情況下，水位的上升可降低擋墻的安全穩(wěn)定性。

(3)破壞方式分析

在無(wú)水時(shí)，4組工況均發(fā)生整體破壞，這是由于坡體各區(qū)域土體密度及其他性質(zhì)區(qū)別不大，土體不易發(fā)生局部破壞。隨著水位的上升，G1、G2工況開(kāi)始從整體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫植科茐?，G3、G4工況仍為整體破壞。隨著水位(0～0.815m)的上升過(guò)程中，在無(wú)格賓支護(hù)的工況下，水先從土體表面浸潤(rùn)至土體內(nèi)部，由于坡面相對(duì)較陡，水會(huì)降低土體的內(nèi)聚力，導(dǎo)致發(fā)局部破壞；在同時(shí)增設(shè)格賓以及基巖的G3、G4工況下，格賓支護(hù)和基巖能夠較好的阻礙作用。從分析來(lái)看，坡腳等薄弱區(qū)首先會(huì)發(fā)生破壞，因此在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中，在坡腳及面板處可考慮加筋格賓支護(hù)。

各工況的破壞方式見(jiàn)表3。

表3 各工況的破壞方式

擋墻坡腳下由于存在水壓力作用以及坡體上部無(wú)格賓加固措施，使得上部較為容易破壞。純土加格賓工況現(xiàn)象異于其他工況是因?yàn)樗慕?rùn)作用使得格賓區(qū)域土體整體達(dá)到飽和狀態(tài)，從而整體發(fā)生剪切破壞。在土體中增設(shè)格賓能夠很好地減少水的浸潤(rùn)作用，使得擋墻產(chǎn)生局部破壞。在擋墻中使用格賓支護(hù)使得格賓擋土墻出現(xiàn)整體破壞，可以在最底層的格賓和土層接觸面進(jìn)行一定的土表鑿毛或其他防止底層格賓和土表發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的措施。

2 結(jié)論

通過(guò)分析加筋格賓擋土墻的力學(xué)特性、安全穩(wěn)定性以及破壞機(jī)制，可得出以下結(jié)論：

(1)基巖層對(duì)于擋土墻位移影響最大，加筋格賓支護(hù)對(duì)于位移的影響次之，兩者結(jié)合的模型工況下邊坡位移最小，擋土墻的安全穩(wěn)定性最好。

(2)基巖層在模型邊坡中對(duì)于剪應(yīng)力變化影響最大，增設(shè)加筋格賓支護(hù)對(duì)于剪應(yīng)力的變化也起到重要作用。在保證加筋格賓擋土墻的基礎(chǔ)上，增設(shè)基巖層會(huì)使得剪應(yīng)力變化先平穩(wěn)，在應(yīng)對(duì)洪水位變化時(shí)稍有增大，但依然在試驗(yàn)許可范圍內(nèi)。

(3)加筋格賓擋土墻在試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吰轮袑?duì)于孔隙水壓力變化影響最大，基巖層對(duì)于孔隙水壓力的變化也起到一定作用，在保證邊坡為加筋格賓擋土墻的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)為基巖層的情況下，會(huì)大大減小坡體入滲速度，降低坡體孔隙水壓變化，以免出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力現(xiàn)象，從而產(chǎn)生平行裂縫，保持坡體穩(wěn)定。

(4)各工況的安全系數(shù)排序?yàn)椋篏4工況﹥G3工況﹥G2工況﹥G1工況，加筋格賓在試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吰碌姆€(wěn)定起到?jīng)Q定性作用，基巖層在邊坡位移以力學(xué)特性上的影響較大，兩者結(jié)合的模型試驗(yàn)邊坡加筋格賓擋土墻占主導(dǎo)地位。