多級擋土墻的力學(xué)分析

付立平

(內(nèi)蒙古包頭市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

多級擋土墻的力學(xué)分析

付立平

(內(nèi)蒙古包頭市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

應(yīng)用ANSYS10.0分析軟件，建立合理的多級擋土墻模型進(jìn)行數(shù)值分析，對各級擋土墻墻背土壓力的大小和分布規(guī)律，以及擋土墻的水平、豎直位移，X、Y方向的應(yīng)力進(jìn)行研究，總結(jié)得出應(yīng)力、位移的變化規(guī)律。

多級擋土墻； ANSYS； 數(shù)值分析

1 多級重力式擋土墻的有限元模型建立

本模型的擋土墻墻背坡度比為1∶0.15，墻面坡度比為1∶0.25，基礎(chǔ)埋深1.7 m，底部寬度5.69 m，墻身高度5.1 m。擋土墻采用C20混凝土砌筑?；鶐r、填土和擋土墻的物理及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ统叽绾蛦卧愋停瑢s束條件進(jìn)行合理的設(shè)置，然后按照平面問題考慮建立整體模型見圖1，對整體模型網(wǎng)格細(xì)化處理見圖2，精確求解擋土墻應(yīng)力和位移的大小，以得到較為精確的計算結(jié)果，使結(jié)果分析更趨于合理。

圖1 整體有限元模型

圖2 整體有限元模型劃分

2 擋土墻位移分析

各階擋土墻中側(cè)向位移最大的出現(xiàn)在第一階擋土墻，平均位移為51.88 mm，最大位移出現(xiàn)在墻頂部為52.18 mm；相比前兩階，第三階擋土墻的側(cè)向位移則要小很多，原因和其底部埋在基巖里對擋土墻的側(cè)向移動有一定約束相關(guān)；各階擋土墻側(cè)向位移均隨著墻身高度的升高而增大，側(cè)向位移最大點(diǎn)均出現(xiàn)在墻頂部，說明擋土墻順時針傾斜，在實(shí)際工程中如果需要對擋土墻側(cè)向位移進(jìn)行觀測時，最好選擇擋土墻的頂部作為觀測部位；而第二階擋土墻側(cè)向位移幅度變化最為明顯，相比另外兩階墻體幾乎平移的移動，第二階擋土墻則出現(xiàn)了更為明顯的旋轉(zhuǎn)，在實(shí)際工程中對于可能發(fā)生的因?yàn)樾D(zhuǎn)而致?lián)跬翂Πl(fā)生傾覆需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

在各階擋土墻中沉降最大的是第一階擋土墻，平均沉降為56.44 mm，最大沉降出現(xiàn)在墻趾與墻底交點(diǎn)處為56.63 mm；在各階擋土墻墻底中最右側(cè)沉降量均比左側(cè)沉降量要大，第三階擋土墻由于處在基巖內(nèi)而基巖剛度較大所以沉降最小。

3 擋土墻應(yīng)力分析

(1)圖3為ANSYS中的第三階擋土墻X方向應(yīng)力云圖，(在查看各階擋土墻X方向應(yīng)力云圖時發(fā)現(xiàn)，擋土墻最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置大體相似，均在墻面彎折處和墻底部距墻踵3.9 m處，而第三階擋土墻拉壓應(yīng)力較大，所以只出示第三階擋土墻云圖為例)。第三階擋土墻最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墻面彎折處，最大值為1 150 kPa，等于1.15 MPa， C20混凝土的軸心壓應(yīng)力為9.6 MPa，遠(yuǎn)大于擋土墻壓應(yīng)力最大值，所以符合要求；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墻底部距離墻踵3.9 m處，最大值為439.825 kPa，約等于0.4 MPa，而C20混凝土的軸心拉應(yīng)力為1.1 MPa，同樣符合強(qiáng)度要求。

(2)如圖4所示，在各階擋土墻中第一階和第二階擋土墻最大拉壓應(yīng)力位置相似，壓應(yīng)力最大出現(xiàn)在墻面彎折處，而拉應(yīng)力則出現(xiàn)在墻趾與墻面交線處，分別為第一階擋土墻壓應(yīng)力為0.417 MPa、拉應(yīng)力為0.072 MPa，第二階擋土墻壓應(yīng)力為0.499 MPa、拉應(yīng)力為0.096 MPa，而第三階擋土墻的最大拉應(yīng)力則是出現(xiàn)在墻背高1.9 m處，為0.136 MPa，最大壓應(yīng)力則是與前兩階擋土墻的位置相似，為0.959 MPa。對于拉應(yīng)力的分析，可能是由于第三階擋土墻基礎(chǔ)部分埋在基巖內(nèi)，在上部土壓力作用下?lián)跬翂τ邢蛴疫\(yùn)動的趨勢，而下部的基巖約束其向右運(yùn)動，在墻背處產(chǎn)生彎矩，出現(xiàn)拉應(yīng)力。對于Y方向的應(yīng)力，同樣符合擋土墻的強(qiáng)度設(shè)計等級，如有特殊要求可使用加筋混凝土或提高強(qiáng)度等級等。

圖3

圖4

4 結(jié) 論

(1)從擋土墻的位移結(jié)果來看，各級擋土墻的位移由下至上成增長趨勢，第三階擋土墻最小，第一階擋土墻最大。整個模型中，第三階擋土墻處于基巖內(nèi)，所以比較穩(wěn)固，位移量也比較小，第一、二階擋土墻位于填土內(nèi)，所以會產(chǎn)生較大變形從而會引起擋土墻位移較大。(2)結(jié)合對各級擋土墻的位移和應(yīng)力的分析結(jié)果來看，距離基巖的豎向高度越高，擋土墻位移越大，所受到的壓力較小，反之離基巖豎直方向高度越小，擋土墻位移越小，所受到的壓力較大。(3)從擋土墻的應(yīng)力結(jié)果分析來看，第三階擋土墻無論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力都是三者中最大的，分別出現(xiàn)在墻底和墻面彎折處。

[1] 趙明華，俞曉，王貽蓀.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

[2] 胡仁喜，康士廷.ANSYS14.5土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

2016-09-26

付立平(1970-)，男，內(nèi)蒙包頭人，工程師。

U418.9

：B

：1008-3383(2017)06-0064-01