EPS土工泡沫對擋土墻振動緩沖作用數值模擬

劉經法

1 EPS土工泡沫在擋土墻抗震中應用和發展

EPS(Expanded Polystyrene)土工泡沫具有隔熱性好、自重輕、自立性強、耐久性好、抗震性好等優良性能，且其強度可以依工程需要而調節。EPS土工泡沫是用于減弱其動力荷載作用在墻體結構上的理想材料。Inglis(1996年)第一次提出使用EPS土工泡沫作為地震緩沖層[1]。Itasca Consulting Group(1996年)通過使用FLAC有限元軟件進行數值分析得出，在地震作用下，使用土工泡沫緩沖層可以減少墻體上的橫向壓力[2]。在國內EPS土工泡沫在擋土墻減震方面的應用和可參考的文獻較少。本文基于工程實例，用動力有限元時程分析法對設置EPS土工泡沫緩沖層的擋土墻進行抗震數值分析。

2 擋土墻抗震數值分析

2.1 工程實例簡介

1999年9月21日，中國臺灣省花蓮西南發生7.3級強烈地震。擋土墻用5塊澆筑混凝土建成，施工縫間沒有經過特別處理，在地震中，擋土墻的上部沿著施工縫向外滑移，最上部的兩塊倒向高速公路一側，破壞區長達20 m。

2.2 土工泡沫緩沖層設置方案

為了研究EPS土工泡沫對該重力式擋土墻的動力緩沖作用，假定在擋土墻墻背設置不同類型和不同厚度的EPS土工泡沫緩沖層，設置方案如表1所示。

表1 EPS土工泡沫設置方案表

2.3 有限元數值分析模型的建立

數值分析模型如圖1所示，模型由四部分組成:擋土墻、EPS土工泡沫、土體和基巖。土體使用擴展的Drucker-Prager模型，其他三部分采用線彈性模型。數值分析采用的計算參數如表2所示。

澆筑混凝土塊體之間、擋土墻與土、擋土墻與EPS土工泡沫、基巖與EPS土工泡沫和EPS土工泡沫與土體的接觸界面設置摩擦界面，法線方向為硬接觸。界面的摩擦系數如表3所示。

表2 材料參數表

表3 各界面摩擦系數表

2.4 地震波特征及其表征方法

本研究使用著名的埃爾森特羅地震波時程圖(如圖2所示)，其最大加速度在2.12 s處為0.342g，持續時間16 s，間隔為0.02 s。地震波在基巖的頂部和土體的右邊邊界輸入。

2.5 有限元計算結果及分析

2.5.1 實例擋土墻破壞模擬

實例在8.6 s時就出現了破壞(見圖 3)，在3—4界面處滑落下來，說明了該墻體結構的抗震能力較差，與實例中的擋土墻在地震中破壞情況基本吻合。

2.5.2 方案一

1)位移分析。圖4為設置不同厚度時的墻頂位移—加速度—時間關系圖。模擬中，墻頂的位移在逐漸的增大，在加速度達到最大時(2.12 s內)其增幅最大，1.4 m時，墻頂位移變化較小。圖5為設置不同厚度EPS土工泡沫的最終高度—位移關系圖。隨著厚度的增加各個混凝土塊位移減小。當大于1.4 m厚度后位移變化不大，位移較小。

2)受力分析。圖6比較了實例模擬結果與設置不同厚度EPS土工泡沫時墻塊4，5的水平總壓力。在加設后，墻塊4，5的墻背水平總壓力都明顯減小，而設置厚度大于1.4 m時約減少50%，緩沖作用明顯。

2.5.3 方案二

1)位移分析。圖7為設置不同厚度EPS時墻頂水平位移隨時間的變化情況，在加速度達到最大時(2.12 s內)其增幅最大，在此之后則增幅較小。圖8為設置不同厚度EPS土工泡沫的最終高度—位移關系圖。隨著厚度的增加墻體的各個混凝土塊位移都相應的減小。當大于2 m厚度后各混凝土塊間位移變化比較均勻，位移較小。

2)受力分析。圖9為設置不同厚度時墻塊4，5的水平總壓力與未設緩沖物結果比較。加設后，墻塊4，5的墻背水平總壓力都明顯減小，設置厚度在3 m時幾乎可以減少50%以上，緩沖效果理想。

3 結語

1)設置EPS土工泡沫后的擋土墻減震效果明顯。兩方案都能使該擋土墻沒有發生滑落破壞。2)墻頂位移、墻體各混凝土塊水平位移都隨EPS土工泡沫的加固厚度的增加而減小。墻體混凝土塊4和5的水平總壓力也隨加固厚度的增加而減小，緩沖效果明顯。3)設置后墻體混凝土塊4和5的水平總壓力明顯減小。當設置厚度大于1.4 m時約減少50%。4)方案一的分析結果表明當設置厚度1.4 m的EPS土工泡沫較理想，方案二的分析結果是2.4 m，且它們墻頂最大位移差不多，約0.5 m。因此考慮到開挖及成本，方案一更適合該擋土墻防震設計。

[1] Inglis D，Macleod G ，Naesgaard E，et al.Basement wall with seismic earth pressures and novel expanded polystyrene foam buffer layer[J].Tenth Annual Symposium of the Vancouver Geotechnical Society ，Vancouver，BC ，Canada，1996(36):22-25.

[2] Itasca Consulting Group.FLAC:Fast Lagrangian Analysis of Continua，version 3.3.Itasca Consulting Group，Inc.，Minneapolis，Minnesota，USA，1996.

[3] Fang Y S，Yang Y C，Chen T J.Retaining walls damaged in the Chi-Chi earthquake[J].Can Geotech J，2003(40):20-22.

[4] 王 釗.土工合成材料[M].北京:機械工業出版社，2005.