沈应龙, 吴承禄, 石常亮

(江西省核工业地质局二六五大队，江西 鹰潭 335000)

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国Itasca公司开发的二维有限差分数值模拟软件，因此也称为FLAC-2D[1]，是一款岩土工程专业高级分析软件，广泛应用于岩土、采矿工程、工程地质灾害防治等大量出现破坏、失稳、变形等力学问题的现象及机理层面的研究，适合处理有限元方法(FEM)难以解决的岩土体复杂问题。一经推出，FLAC便受到了岩土工程学界的大力支持与推广，经过三十余年的发展，已经在世界范围内拥有了庞大的用户群。

加筋土结构是1963年法国亨利·维达尔(Henri Vidal)所发明，1965年法国在普拉聂尔斯(Prageres)首次并成功地修建了世界上第一座公路加筋挡土墙[2]。由于其具有施工简便、造价低廉、适应性好、稳定性强等优势，在世界各国得到了推广应用。我国于20世纪70年代末期开始引入应用，现广泛应用于道路、桥台、驳岸、码头、堤坝、地灾防治、边坡防护挡墙等工程中。

加筋土挡土墙中关于加筋材料的选用与布置是一项重要的力学问题和成本问题。选用的布筋方法能同时兼顾挡土墙工程的安全性能与挡土墙工程项目的经济性，是值得我们进行深入探讨的一项问题。K.Hatami将加筋分为均匀加筋与非均匀加筋两种形式，均匀加筋意为采用单一材料，非均匀加筋包括两种不同材料的分组加筋、交替加筋以及三种或三种以上材料的混合加筋[3]。本文以使用最为广泛的均匀加筋、分组加筋和交替加筋为研究对象，采用FLAC-2D对各加筋模型进行数值模拟研究分析。

1 加筋土边坡的分析模型及结构参数

1.1 模型设计

结合施工实际及相关工作经验，且为满足研究工作需要，针对研究目的进行了简化，不考虑护坡措施，仅就筋材对填土边坡的稳定性影响展开研究，设计的加筋土边坡模型如图1所示。模型高6.4 m，加筋长度3 m，加筋间距0.6 m，墙面坡度为1∶0.5。共布置6层加筋材料(模型图中蓝色线条部分)。筋材采用FLAC-2D中的Strip结构单元进行模拟。加筋土边坡顶部设计了一处模拟载重区域，以模拟边坡上方岩土体的自重荷载。计算模型底部边界采用固定边界，两侧边界采用X方向单向约束边界，材料力学模型均采用“莫尔—库伦”模型(图2)。

图1 加筋土边坡计算模型

图2 FLAC计算模型

1.2 参数选取

在数值分析过程中，材料参数的选取对模拟计算的真实性、准确性影响很大，本文参数基于地灾治理工程项目——南城县麻姑山雕像山体地质灾害治理工程中岩土体参数。本计算模型范围内各岩土体物理力学参数见表1。针对本文研究的内容，在筋材布置上对土工格栅与双绞合六边形钢丝网这两种不同刚度的筋材进行分析，分别用符号T1、T2表示，加筋材料物理力学参数见表2。

表1 岩土体参数

表2 加筋材料参数

1.3 筋材布置工况

对于模型中的6层加筋材料，分别按均匀加筋、分组加筋和交替加筋方式进行加筋布置。

(1)均匀加筋：采用单一筋材，分两类情况，一是筋材均采用土工格栅(T1)，二是筋材均采用双绞合六边形钢丝网(T2)。

(2)分组加筋：将6层加筋层分为上下两组，分别选用土工格栅和双绞合六边形钢丝网，分两类情况，一是上下两组分别选用土工格栅、双绞合六边形钢丝网(T1+T2)，二是上下两组分别选用双绞合六边形钢丝网、土工格栅(T2+T1)。

(3)交替加筋：边坡中的6层加筋材料依次采用双绞合六边形钢丝网及土工格栅，建模时最下一层筋材采用双绞合六边形钢丝网。

除上述三类布筋方式外，添加不加筋边坡作为对照组，因此共建立四组分析模型，汇总如表3所示，并将各分析边坡模型用英文字母结合阿拉伯数字作为代号。

表3 分析模型一览表

2 FLAC-2D模拟计算及结果分析

根据以上模型及定义的材料参数，分别针对不加筋及均匀加筋、分组加筋、交替加筋这三类布筋方式——共计四类边坡形态进行计算分析。通过计算各模型安全系数，结合FLAC-2D后处理功能，得到各布筋模型计算数据，见表4和图3。

表4 模型分析成果数据

因此，在同样的边坡形态、岩土体力学条件以及上部施加同样的模拟载重条件下，可以根据以上数据对不同布筋方式得到如下判断：

(1)比较分析五组边坡安全系数可发现，边坡的整体稳定性表现出B2最佳、D次之、A最差的局面，即仅应用双铰合六边形钢丝网均匀加筋的边坡稳定性最佳，采用交替加筋的边坡次之，而不加筋的边坡最易失稳。说明应用刚度高、强度大的双绞合六边形钢丝网进行均匀加筋可以有效增强加筋土的稳定性，但与此同时，将付出极大的工程造价成本。

(2)比较分析C1、C2边坡的计算数据可发现，采用C1分组加筋的边坡剪应变、速度矢量大小及竖向、横向位移极值均大于采用C2加筋时，表示C1分组加筋边坡在破坏临界时自身积累的变形更大。土工格栅加筋层由于刚度较低，易产生应力集中，进而发生剪切变形，最终贯通形成破裂面，若其处于上组则无法发挥下组双绞合六边形钢丝网强度优势，因此采用C2分组加筋对于整体边坡更为合理。

图3 计算数据对比柱状图

(3)通过最大剪应变、速率及横竖向最大位移对比可发现，D交替加筋边坡破坏临界时的数值大小介于B1和B2之间、且大于C1和C2。一方面说明D边坡在破坏前可容纳自身变形量大于双铰合六边形钢丝网均匀加筋，小于土工格栅均匀加筋，体现了交替加筋同时并交替均匀采用钢丝网与土工格栅的治理特征；另一方面也说明分组加筋在变形数值仍较小时就已破坏，即变形自稳性不如交替加筋。

3 结语

现实治理工程应同时考虑治理稳定性及造价经济性，因此，综合FLAC-2D模拟结果及上述分析过程，可以得到以下结论：

(1)采用单一的强度高刚度大的筋材进行均匀加筋，有助于治理工程的稳定性，但是同时也会大幅提高治理工程造价，不建议在强调经济性的工程中采用；

(2)选用两种强度刚度有差异的筋材(如土工格栅、双绞合六边形钢丝网等)进行合理的分组加筋和交替加筋均可起到较好的治理效果，并使治理工程造价相对经济，其中，交替加筋较分组加筋更有利于治理工程的稳定性；

(3)在三种常见的布筋方式中，交替加筋是最能兼顾稳定性与经济性的布筋方式，可为今后加筋工程的设计施工提供参考和依据。