0 引言

土工格栅加筋陡坡土堤具有良好的抗震性能，然而这种结构的抗震设计理论研究还不完善，动力响应尚不明确，阻碍了这一结构形式在工程中的大量应用。近几年国内外学者在土工格栅加筋结构领域研究较多，吴燕开等[1]、蒋建清等[2]、汪益敏等[3]，进行了数值模拟方面的研究。胡幼常等[4]、李亮[5]等，进行了理论方面的研究。李庆海等[6]、王丽艳等[7]、朱宏伟等[8]、El-Emam M等[9]进行了室内试验方面的研究。El-Sherbing[10]通过对双面加筋路堤的研究发现宽高比对两侧土压力分布有着较大影响。前人研究发现加筋形式不同，在地震荷载作用下，土压力大小和破裂面不同。对于高陡坡土工格栅加筋土堤不同厚高比在不同地震波作用下与位移、筋材受力函数关系的研究还未见相关报道。

以某高陡坡土工格栅加筋土堤项目为研究对象，采用Midas GTS NX软件进行有限元数值分析。在同一高度下，对不同土工格栅层间距的高陡坡土工格栅加筋土堤进行动力分析，建立不同地震波作用下任意高度处位移、筋材受力大小的计算方法，为高陡坡土工格栅土堤抗震设计提供理论依据。

1 工程概况

该高陡坡土工格栅加筋土堤工程坡面材料为加筋绿色格宾，坡体内采用HDPE单向塑料土工格栅，采用砾类土填筑。高度30 m的土堤长134.5 m，高度20 m的土堤长322.6 m，顶宽均为4 m，土堤两侧边坡坡率均为1∶0.364。其中30 m高坡体分三级填筑，如图1所示，20 m高坡体分两级填筑，如图2所示，台阶宽度均为2 m，整体平面图如图3所示。采用的单向土工格栅设计极限抗拉强度分别为37.8，28.9，20 kN·m-2。通过运土坡把砾类土运到填筑地点进行分层碾压，现已完工，如图4所示。

图1 三级土堤截面示意图(单位:m)Fig.1 Schematic diagram of 3-step earth embankment section (unit:m)

图2 二级土堤截面示意图(单位:m)Fig.2 Schematic diagram of 2-step earth embankment section(unit:m)

图3 整体平面图(单位:m)Fig.3 Overall plane(unit:m)

图4 高陡坡土堤Fig.4 An earth embankment on high steep slope

2 建立数值模型

2.1 模型建立

模型与实体工程比例为1∶1，分别建立填土层厚度0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 m模型，其中0.5 m填土层厚模型是与实体工程填土厚度相同，如图5所示。为了得到不同模型在不同地震波作用下的位移和抗拉强度响应，每个模型上以A点为测点测位移，每层土工格栅中间单元为测点测抗拉强度。边界约束部分，地面以上无约束，地面以下为二维自由场约束。

图5 三维模型Fig.5 3D model

2.2 模型材料参数选取

材料参数如表1所示，材料参数通过项目地勘报告，类似土样与土工格栅复合体的大型三轴试验结果得到[11]。如表2中土工格栅的相关参数，通过土工格栅单向拉伸试验及筋-土界面特性试验测得。为了控制变量，建立模型时统一取土工格栅弹性模量3.7×107kN·m-2。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters材料名称E/(kN·m-2)vγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)类型本构关系回填土层1.2×1030.D莫尔-库伦持力层5×1050.D莫尔-库伦自然土层4×——3D莫尔-库伦土工格栅1303.7×——2D弹性

2.3 阻尼设置及地震波选取

在地震加速度作用下，加速度较小时，土工格

表2 土工格栅截面和接触特性参数Tab.2 Geogrid section and contact characteristic parameters材料名称Kn/(kN·m-2)Kf/(kN·m-2)c/kPaφ/(°)类型厚度/m土工格栅130————2D5×10-3界面接触1×1093×10-——

栅应变很小，但阻尼依然存在，此时模型滞回圈过小无法得到阻尼特征[12]，所以采用瑞利阻尼修正这种不足，取阻尼比为0.05。震动周期T和频率f通过特征值分析得到，最大周期分别为5.023，最小为2.076，自由场建立在自然地基土的4个面上，约束为弹簧约束。

地震设防烈度为9度，8度，7度，6度，对应设计加速度分别为a≥0.4g，a≥0.3g，a≥0.2g，a≥0.1g，由于烈度6度地震响应小，所以对6度区不做分析[13]。在软件自带地震波型库中选取每个烈度所对应的相似加速，如表3所示。

表3 地震波Tab.3 Seismic waves烈度波型最大加速度/(×g)持续时间/s9度 4608度 461.847度 253.46

上述3种地震波的地震加速度曲线a，b，c，如图6所示。进行数值分析时，选取地震波后把测点到导入历程分析中，每种地震波同时作用5个模型。

图6 地震波加速度曲线Fig.6 Acceleration curves of seismic wave

2.4 厚高比

在地震荷载作用下，除填土性质和土工格栅的抗拉强度及筋土作用参数外，土工格栅铺设层间距是结构位移和筋材受力的主要影响因素，也是结构设计的主要指标。为了研究在地震荷载作用下，土工格栅铺设层间距与位移以及筋材受力的关系，引入厚高比定义，即土工格栅铺设层间距与结构高度的比值，式(1)为结构总高度，式(2)为厚高比值e=h/H，其中填土的层厚就是土工格栅间距。本次有限元数值分析模型的厚高比如表4所示。