基于FLAC-2D的加筋格賓單元尺寸組合研究

沈應龍, 莫子奮, 柳哲權, 吳文忠

(江西省核工業地質局二六五大隊，江西 鷹潭 335001)

加筋格賓擋土墻是一項方興未艾的支擋技術，由格賓技術與加筋土技術結合發展而來，其相比于傳統的擋土墻結構類型，具有整體安全性、滲透性和耐久性等優點[1]，并且綠色環保，美觀可靠，得到了國內外工程領域的認可，被廣泛應用于公路河道護坡、邊坡支擋、地災治理等領域中，因此，對其進行研究是非常有必要的。FLAC是由美國Itasca公司開發的二維有限差分數值模擬軟件，也稱為FLAC-2D[2]，它可以采用有限差分求解方法來處理眾多有限元程序難以解決的巖土體等工程材料的強烈非線性問題，特別擅長于針對大變形、強烈非線性及系統物理不穩定系統等破壞現象的力學描述和模擬。本文將從不同加筋格賓單元的尺寸組合對擋土墻支擋效果和經濟投入的影響對比出發，以FLAC-2D作為研究工具，對其技術經濟性最優的尺寸條件展開研究。

1 加筋格賓擋土墻分析模型及結構參數

1.1 計算模型的建立

結合施工實際及相關工作經驗，且在研究工作需要的基礎上，對分析模型進行了簡化，為了找到最優加筋格賓單元的規律，本文設計從不同的加筋格賓單元的尺寸組合出發進行對比分析。結合市場常見規格及相關工作經驗，以格賓網箱的尺寸和加筋筋網的長度為研究對象，格賓網箱尺寸選擇為1.0 m×1.0 m、0.5 m×0.5 m、1.0 m×0.5 m(寬×高)；加筋筋材長度選擇為3 m、5 m、7 m。共對9組尺寸組合進行建模計算(表1)。

設計的加筋格賓擋土墻模型如圖1所示(圖示加筋長度以3 m為例)。模型高9.0 m，墻面坡度為1∶0.5，格賓網箱及筋材均采用FLAC-2D中的Strip結構單元進行模擬。計算模型底部邊界采用固定邊界，兩側邊界采用X方向單向約束邊界，材料均采用“莫爾—庫倫”力學模型。

圖1 加筋格賓擋土墻分析模型

1.2 計算參數選取

在數值分析過程中，材料參數的選取對模擬計算的真實性、準確性影響很大，本文參數基于地災治理工程項目——南城縣麻姑山雕像山體地質災害治理工程，并根據當地工程地質、水文地質條件對參數進行合理調整。本計算模型范圍內各巖土體包括墻背填土、格賓網箱填石、基巖。填土采用砂性土為填料，填石采用卵石、片石或塊石，基巖巖性為強風化花崗巖。巖土體物理力學參數見表2、表3。

表2 填土、基巖物理力學參數表

表3 填石物理力學參數表

加筋格賓單元是由機器編織的雙絞合六邊形鋼絲網面經組合而成的工程構件，包括格賓網箱與拉筋網面兩個組成部分(如圖2)，其材料物理力學參數見表4。

圖2 加筋格賓單元構件示意圖

表4 加筋格賓材料物理力學參數

2 FLAC-2D模擬計算及結果分析

2.1 模擬計算

將九組加筋格賓單元尺寸組合邊坡模型分別導入FLAC-2D程序中進行模擬計算，最終得到剪應變分布云圖，如圖3、圖4，計算成果數據見表5，九組尺寸組合的邊坡隨加筋長度遞增安全系數變化趨勢見圖5。

圖3 三類格賓網箱尺寸邊坡剪應變分布云圖(筋長取 Ⅰ 型)

圖4 三類加筋長度邊坡剪應變分布云圖(格賓網箱尺寸取A型)

表5 邊坡模型計算成果數據

注：豎向位移以豎直朝上為正，反之為負；橫向位移以水平朝向邊坡為正，反之為負。

圖5 安全系數變化趨勢折線圖

2.2 結果分析

(1)其他條件相同時，隨加筋長度增加邊坡穩定性得到提升，但提升幅度呈現先快后慢的規律，因此，存在最優加筋長度，在達到該長度之前可以通過增加加筋長度有效提高擋土墻穩定性，超出該長度則無法充分發揮筋材強度，降低治理效益。在邊坡加筋治理工程中，應通過計算比較以確定最優加筋長度。

(2)從剪應變分布云圖可以看出，加筋格賓擋土墻破壞時邊坡滑裂面呈現以格賓面墻中下端為前緣，圓弧形延伸至墻背填土面的特征，并且滑裂面前緣為變形最大部位，此種變形特征在墻體體現為鼓脹式變形，因此，相比傳統剛性支擋結構，加筋格賓擋土墻具備柔性支擋的優點，可伴隨邊坡產生一定變形從而釋放墻后土壓力，保證邊坡穩定。

(3)在相同加筋長度條件下，計算結果均表現出B組加筋格賓擋土墻的穩定性比A組好，而C組又比B組好的規律。即采用小尺寸的格賓網箱或者高寬比小的格賓網箱斷面均有助于提升擋土墻的穩定性。

3 結語

本文探討了加筋格賓擋土墻設計中格賓網箱、加筋網面的不同尺寸對擋土墻穩定程度的影響，采用FLAC-2D有限差分數值模擬分析軟件對九組尺寸組合進行了研究，得到的結論有：

(1)加筋格賓擋土墻的變形表現為鼓脹式變形，體現了柔性支擋的優點，擋土墻可伴隨邊坡產生一定程度的變形從而釋放墻后土壓力，保證邊坡穩定。

(2)為提高加筋格賓擋土墻穩定程度，在加筋格賓單元中，應通過計算比較以確定合理的加筋長度，過短穩定性不足，過長則無法充分發揮筋材強度且治理效益差，并且采用小尺寸或高寬比小的格賓網箱斷面有助于提升擋土墻的穩定性。