基于ANSYS的浸水重力式擋土墻- 土體系受力與變形數(shù)值模擬分析

魏峰

(甘肅省蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，蘭州730050）

1 引言

重力式擋土墻具有良好的結(jié)構(gòu)自穩(wěn)能力，施工方便且經(jīng)濟(jì)效益高，在公路、鐵路、水利、港灣工程、水閘岸邊等工程中廣泛應(yīng)用。而由于靠近河道的浸水重力式擋土墻的特殊性，其受力及變形特征表現(xiàn)的更為復(fù)雜。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擋土墻的受力及變形等問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。Enrique Castillo 把傳統(tǒng)的土壓力計(jì)算方法和基于概率的可靠度方法結(jié)合在一起，得到了一種新的擋土墻受力計(jì)算方法[1]；Li 等[2]通過(guò)對(duì)重力式擋土墻的動(dòng)力響應(yīng)分析，提出了擋土墻抗震穩(wěn)定性的分析方法；于德湖、姚裕春、蘆佳等[3~5]分別采用數(shù)值模擬方法對(duì)扶壁式、懸臂式及衡重式擋土墻進(jìn)行了模擬分析，得出了不同形式擋土墻的受力及變形特點(diǎn)。同時(shí)，也有部分學(xué)者對(duì)浸水擋土墻進(jìn)行研究分析，例如，Valeriy 等[6]提出了一種泥漿型浸水擋土墻的設(shè)計(jì)方案和施工工藝，能有效抵抗地層以及河水的側(cè)向荷載；范小倩，高青松[7，8]分別對(duì)浸水重力式擋土墻的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行分析和探討；付佩[9]通過(guò)對(duì)比分析受力模式及計(jì)算方法等，研究了浸水擋土墻與一般擋土墻的異同。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)浸水重力式擋土墻的穩(wěn)定性研究較多，但對(duì)墻后應(yīng)力的分布還多采用經(jīng)典的庫(kù)倫理論，先計(jì)算總的土壓力，然后按三角形分布來(lái)反推墻后應(yīng)力分布，這種做法不能準(zhǔn)確地反映墻后土壓力的分布。另外，對(duì)于墻體位移的研究，一般采用實(shí)測(cè)的方法，這種方法一方面成本較高，另一方面，對(duì)于有一定埋深的墻體，實(shí)測(cè)位移精度難以得到保證。基于此，本文以某工程已建靠近河道的重力式擋土墻為依托，利用ANSYS 有限元軟件對(duì)該浸水重力式擋土墻進(jìn)行天然狀態(tài)及洪水剛過(guò)時(shí)2 種不同工況下墻-土體系的應(yīng)力分布以及位移響應(yīng)規(guī)律分析，以期對(duì)該類擋土墻的設(shè)計(jì)、維護(hù)及加固等提供理論依據(jù)與參考。

2 工程概況

該擋土墻為位于甘肅省蘭州市某村莊的河流旁，河道坡度約為3%，平常河道內(nèi)無(wú)地表水。最大洪水水位約為2m。該擋土墻總長(zhǎng)350m，高約5m。擋土墻墻后填土采用天然級(jí)配砂卵石土，分層壓實(shí)，壓實(shí)度要求不小于90%。墻身采用M10 漿砌片石砌筑而成；墻胸和墻背的坡比均為1∶0.25，墻頂寬1.5m；墻基礎(chǔ)厚度為1m。墻身泄水孔（15cm×15cm）按照梅花形布置，間距2.0m；墻腳泄水孔（30cm×30cm），間距2.0m；此外，墻背后設(shè)厚度為30cm 的碎石反濾層、地面處設(shè)厚50cm的黏土隔水層。擋土墻橫斷面如圖1 所示。

圖1 天然狀態(tài)下?lián)跬翂M斷面示意圖（單位：m）

3 ANSYS 有限元模型分析

3.1 材料參數(shù)

根據(jù)該擋土墻場(chǎng)地的詳細(xì)勘察鉆孔資料，得出本次有限元模型擋土墻與土體材料參數(shù)如表1 所示。

表1 擋土墻與土體材料參數(shù)

3.2 本構(gòu)關(guān)系及單元類型

擋土墻結(jié)構(gòu)中的墻體材料為漿砌片石，材料模型選用線彈性模型；土體材料選用理想彈塑性模型（DP 模型），且遵循Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則，土體單元選用八節(jié)點(diǎn)矩形單元，如圖2 所示。

另外，為了能夠更加精確地模擬地基與擋土墻及填土之間的接觸作用，采用ANSYS 軟件中的接觸單元，在填土與擋土墻及地基接觸面處建立面接觸單元。將擋土墻墻體與地基接觸表面看作剛性接觸面，選取Targe169 單元；將填土接觸面看作柔性的接觸面，選取Conta172 單元。接觸單元的形式為面-面接觸，如圖3 所示，圖中，e為偏心距。

圖2 八節(jié)點(diǎn)平面單元示意圖

圖3 接觸面單元示意圖

3.3 模型建立

根據(jù)該實(shí)際工程的特點(diǎn)及問(wèn)題，本文建立高5m，基礎(chǔ)為1m×2m 的二維重力式擋土墻計(jì)算模型。

對(duì)于此計(jì)算模型中的擋土墻，主要考慮土體的位移，故假設(shè)土體側(cè)向及底部處于零位移狀態(tài)，即在任何條件下都不會(huì)產(chǎn)生位移。另外，為了優(yōu)化有限元模型的建立并方便計(jì)算，只考慮擋土墻自重作用，即只在y方向施加重力作用。模型網(wǎng)格由土體單元、墻體單元以及墻體與土體的接觸面單元組成。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 天然狀態(tài)下結(jié)果分析

圖4a 為擋土墻x向位移云圖，可以看出，擋土墻側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在墻的頂部，為10.2mm；最小位移出現(xiàn)在擋土墻的底部，為0.4mm。其位移沿墻身從墻頂?shù)綁Φ孜灰浦饾u降低，這主要是由于填土及地基土的作用，使擋土墻位移受到約束，從而出現(xiàn)明顯的“水平位移分層”現(xiàn)象。由圖4b 可以看出，擋土墻的y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，為29.2mm；最小y向位移出現(xiàn)在墻踵處，為7.0mm，且沿?fù)跬翂Φ撞坑蓧χ褐翂︴嘀饾u減小，其位移呈現(xiàn)出明顯的“豎向位移分層”現(xiàn)象。

圖4 天然狀態(tài)下?lián)跬翂ξ灰圃茍D

由擋土墻應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖5）可知，擋土墻應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻趾板右側(cè)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中x方向最大應(yīng)力達(dá)到9.29MPa，y方向最大應(yīng)力為7.44MPa。由圖也可以看出擋土墻局部也出拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力過(guò)大，擋土墻可能會(huì)出現(xiàn)傾覆破壞。因此，在對(duì)擋土墻設(shè)計(jì)和施工時(shí)，要增加墻趾板的強(qiáng)度以保證擋土墻的抗傾覆能力。

圖5 天然狀態(tài)下?lián)跬翂?yīng)力云圖

4.2 洪水過(guò)后結(jié)果分析

對(duì)于浸水地區(qū)擋土墻土壓力的計(jì)算，除了考慮土壓力以外，還需要考慮水壓力、浮力及水位差對(duì)土壓力的影響等。在洪水過(guò)后，擋土墻墻前的水位下降，但墻后填土水位并未及時(shí)下降，此時(shí)墻前后形成水位差。此處為了簡(jiǎn)化模型并方便計(jì)算，通過(guò)在墻背后施加三角形分布的靜水壓力和用浮重度來(lái)計(jì)算墻后土壓力的方法來(lái)模擬洪水過(guò)后水位差對(duì)擋土墻的影響。

圖6a 為洪水過(guò)后擋土墻位移云圖，可以看出，擋土墻x向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻頂，為28.8mm；最小位移出現(xiàn)在擋土墻墻底，為13.3mm。與天然狀態(tài)時(shí)的情況相比較，洪水過(guò)后，擋土墻位移明顯增大，說(shuō)明洪水過(guò)后，擋土墻發(fā)生破壞的可能性增大。由圖6b 可以看出擋土墻的y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，為62.8mm；最小位移出現(xiàn)在靠近墻踵處，為32.0mm。其位移沿墻底寬度也呈現(xiàn)出明顯的“豎向位移分層”現(xiàn)象。

填土x向最小位移出現(xiàn)在與擋土墻頂部接觸的位置，為3.3mm，且沿?fù)跬翂ι碇饾u增大，從上至下逐漸增大。最大位移出現(xiàn)在墻踵與填土體接觸底部，為10.8mm。填土y向最大位移出現(xiàn)在左側(cè)靠近擋土墻土體上部，為9.5mm。因此，若對(duì)擋土墻的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，宜選擇墻頂及墻底作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

圖6 洪水過(guò)后擋土墻位移云圖

由擋土墻應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖7）可以看出，由于x向受到新增加的靜水壓力作用，x向應(yīng)力出現(xiàn)交大的變化，在擋土墻背應(yīng)力突增，且沿墻踵至墻趾逐漸減小，其最大應(yīng)力為14.38MPa；y向應(yīng)力最大應(yīng)力為9.47MPa，且在墻趾板右側(cè)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會(huì)使擋墻在墻趾處出現(xiàn)微小裂縫，降低其承載能力。填土體x向和y向的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在填土體與墻踵接觸的位置。由上述結(jié)論可知在洪水過(guò)后，擋土墻墻踵及填土局部強(qiáng)度可能會(huì)降低，導(dǎo)致其穩(wěn)定安全系數(shù)下降，所以，設(shè)計(jì)、修筑擋土墻時(shí)，必須要保證墻底土體的強(qiáng)度，并且提高一定的安全系數(shù)。

圖7 洪水過(guò)后擋土墻應(yīng)力云圖

4.3 結(jié)果討論

4.3.1 結(jié)構(gòu)體系位移分析

對(duì)天然無(wú)水狀態(tài)下和洪水過(guò)后2 種不同工況下的擋土墻位移進(jìn)行比較分析，得出x向沿墻身高度各點(diǎn)位移量及y向沿墻底寬度各點(diǎn)位移量的對(duì)比圖（見(jiàn)圖8）。

由圖8 可知，擋土墻x向位移最大值出現(xiàn)在墻頂，y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處；在降雨及洪水過(guò)后，擋土墻在墻前水位降落過(guò)程中，墻后水位并未能及時(shí)下降，墻面?zhèn)认?、豎向位移都隨之而增大；且在墻身高3m 處出現(xiàn)明顯突變，這是由于洪水入滲后，墻體、填土等吸力降低，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力會(huì)減小，墻后填土發(fā)生卸載回彈。另外，洪水及降雨后，墻后填土含水量過(guò)大，墻后排水不通暢，導(dǎo)致其總重力增加，墻后土壓力也會(huì)急劇增加。

圖8 x、y 向位移對(duì)比圖

4.3.2 結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力分析

對(duì)天然狀態(tài)下和洪水過(guò)后2 種不同工況下的擋土墻應(yīng)力進(jìn)行比較分析，得出x向沿墻身高度各點(diǎn)應(yīng)力大小及y向沿墻底寬度各點(diǎn)應(yīng)力大小的對(duì)比圖（見(jiàn)圖9）。

由圖9a 可知，天然狀態(tài)下x向應(yīng)力最大的地方在擋土墻墻趾位置，沿?fù)跬翂Ρ秤筛叩降蛒方向有效應(yīng)力逐漸增大。但在洪水過(guò)后，x向應(yīng)力出現(xiàn)不均勻變換，在墻趾板處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外由圖9b 可知，y方向沿墻底由墻踵到墻趾有效應(yīng)力逐漸減小，這是由于墻踵位置土體受到更大自重力作用。在洪水過(guò)后，擋土墻x、y向應(yīng)力都明顯增大，這是由于擋土墻承受水的浮力，擋土墻后水下土體呈飽和狀態(tài)，使強(qiáng)度降低。另外，設(shè)計(jì)長(zhǎng)期或季節(jié)性浸水的擋土墻時(shí)，除了按一般擋土墻考慮所作用的力系，還應(yīng)考慮水對(duì)墻后填土及墻身材料的影響，墻體材料在外荷載作用下更容易受拉開(kāi)裂。隨著降雨入滲，擋土墻及填土內(nèi)摩擦角減小，降低擋墻的抗剪強(qiáng)度，墻后土壓力也會(huì)急劇增加。說(shuō)明隨著內(nèi)摩擦角的減小或墻后填土含水量過(guò)大，都不利于擋土墻的穩(wěn)定。

圖9 應(yīng)力對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文利用ANSYS 對(duì)某靠近河道的浸水重力式擋土墻進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析得出以下結(jié)論：

1）僅在靜荷載作用下，浸水重力式擋土墻側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻的墻頂，且沿墻身高度“水平分層”；豎向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，且沿墻底寬度“豎直分層”。另外，擋土墻應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻趾板右側(cè)。因此，若對(duì)擋土墻的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，宜選擇墻頂及墻底作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。

2）在降雨及洪水過(guò)后，墻面?zhèn)认蛭灰齐S之而增大。另外，當(dāng)洪水過(guò)大時(shí)，墻后填土排水不暢，使墻后填土含水量過(guò)大，土的抗剪強(qiáng)度降低，墻后土壓力也會(huì)急劇增加，降低擋墻穩(wěn)定安全系數(shù)，并使基底應(yīng)力增加。因此，在對(duì)擋土墻設(shè)計(jì)和施工時(shí)，要增加墻踵及墻趾強(qiáng)度以保證擋土墻的穩(wěn)定性。

3）在靠近河道的浸水式擋土墻建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)，除了考慮土壓力以外，還需要考慮水壓力、浮力和水位差對(duì)土壓力的不利影響，提高設(shè)計(jì)等級(jí)；同時(shí)，施工單位也要按照設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格施工，以免造成工程事故。