扶壁式擋土墻有限元分析

朱 進(jìn) 成

(上海勇創(chuàng)建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200000)

近年來(lái)，我國(guó)巖土工程中支擋結(jié)構(gòu)形式不斷發(fā)展，支擋結(jié)構(gòu)形式也從過(guò)去單純靠重力維持平衡的重力式擋土墻發(fā)展為采用支撐、土筋復(fù)合結(jié)構(gòu)以及錨固技術(shù)等多種新型、輕型支擋新技術(shù)，例如懸臂式、扶壁式等新型擋土墻，由于這些新型擋土墻結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕巧、施工快捷、投資少等特點(diǎn)，很快在各類工程中得到了廣泛的應(yīng)用。這類新型擋土墻結(jié)構(gòu)充分利用材料強(qiáng)度，截面輕巧，因此新型擋土墻結(jié)構(gòu)的變形是一個(gè)應(yīng)該引起足夠重視的問(wèn)題，正是由于此原因，相關(guān)資料建議懸臂式擋土墻高度不宜大于6 m，扶壁式擋土墻高度不宜大于10 m[1]。

1 工程概況

某水泥廠堆料場(chǎng)采用扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)圍成堆場(chǎng)，扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)及墻后堆料關(guān)系尺寸見圖1，一般扶壁式擋土墻的構(gòu)造尺寸滿足扶壁的間距通常在墻高的1/3～1/2范圍內(nèi)變動(dòng)，扶壁的厚度約為扶壁間凈距的1/8～1/6，但不小于30 cm[2]。本工程中，擋土墻立板厚0.4 m，扶肋厚0.5 m，扶肋間距4.5 m，墻趾板厚1.2 m，寬2.35 m，墻踵板厚1.2 m，寬3.25 m。

由于工程實(shí)際的需要，需計(jì)算該扶壁式擋土墻的頂部最大位移。盡管扶壁式擋土墻理論研究和實(shí)踐應(yīng)用已取得了一定進(jìn)展，但實(shí)際中還是多采用庫(kù)侖土壓力理論求得總的土壓力用于扶壁式擋土墻的穩(wěn)定性和強(qiáng)度計(jì)算[3]，而擋土墻位移涉及土體和擋土墻本身的相互作用，在墻后土壓力和自重的作用下，既有地基土的變形也有擋土墻本身的變形。本文借助有限元軟件對(duì)實(shí)際工程中的扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行數(shù)值分析，用巖土有限元軟件PLAXIS建模進(jìn)行土結(jié)整體分析，計(jì)算擋土墻在自身變形及地基土變形的情況下的總變形，同時(shí)用結(jié)構(gòu)有限元軟件SAP2000計(jì)算擋土墻本身在土壓力作用下的變形，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并供其他同類工程參考。

2 有限元分析

2.1 土結(jié)整體分析

為了解擋土墻在墻后堆料產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力作用下，地基土和擋土墻自身的總變形，采用PLAXIS巖土有限元軟件整體建模分析，考慮到擋土墻結(jié)構(gòu)為平面應(yīng)變問(wèn)題，采用平面模型，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

1)土體本構(gòu)模型、擋土墻土體接觸面關(guān)系、擋土墻墻體模型。

本次計(jì)算模型的選取：土體模型采用軟件自帶的摩爾庫(kù)侖模型，擋土墻墻體采用線彈性模型，土體與擋土墻之間的接觸面采用雙線性的摩爾庫(kù)侖模型來(lái)進(jìn)行模擬。地基土及墻后堆料采用彈塑性Drucker-Prager準(zhǔn)則[4]，地基土及堆料物理力學(xué)性質(zhì)見表1。在擋土墻與地基土和堆料之間設(shè)置接觸面單元。

表1 材料物理力學(xué)性質(zhì)

有限元網(wǎng)格圖見圖2，兩邊法向約束，底部固定約束。

2)計(jì)算位移結(jié)果。在擋土墻的墻頂、中間及墻角部位分別設(shè)1,2,3三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在墻后堆料的作用下，圖3為擋土墻及墻后堆料的變形云圖，圖4為擋土墻三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：a.由于擋土墻對(duì)堆料的約束作用，墻后堆料的最大水平位移發(fā)生在墻頂以上一定距離的坡上，而不是坡角處；b.土結(jié)整體作用時(shí)擋土墻的水平位移頂部最大，底部最小，中間次之，同時(shí)頂部水平位移最大值約為60 mm，符合擋土墻達(dá)到主動(dòng)土壓力時(shí)的位移量(0.001～0.005)h，h為擋土墻的高度[5]，即此時(shí)擋土墻后的土壓力已達(dá)主動(dòng)土壓力。

2.2 擋土墻結(jié)構(gòu)分析

為了了解擋土墻在同樣的主動(dòng)土壓力作用下，自身的變形，采用結(jié)構(gòu)有限元軟件SAP2000分析擋土墻結(jié)構(gòu)的變形。

2.2.1有限元模型

采用殼單元模擬擋土墻的各個(gè)部分[6]，加入水平土壓力荷載、豎直土壓力荷載、自重，為了使結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果有比較意義，土壓力采用前面PLAXIS軟件計(jì)算得到的土壓力，最后將擋土墻底板采用固定約束，最終建模結(jié)果見圖5。

2.2.2計(jì)算水平位移結(jié)果

由于兩端挑出部分在實(shí)際情況中不出現(xiàn)，不考慮兩端挑出部分的較大水平位移，計(jì)算最大水平位移出現(xiàn)在擋土墻頂部，計(jì)算位移結(jié)果如圖6所示，最大位移為2.2 mm。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)前面兩種情況的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在滿足一般扶壁式擋土墻尺寸要求的前提下，扶壁式擋土墻的剛度是比較大的，其自身的變形只占到總變形量的很小一部分，因此，在設(shè)計(jì)，扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)在截面尺寸滿足一般構(gòu)造性要求時(shí)，扶壁式擋土墻可以視為剛體，可以忽略本身的變形，擋土墻產(chǎn)生的水平位移主要為剛體位移，由地基土產(chǎn)生。因此，在地質(zhì)條件比較差，而又需要控制變形時(shí)，更應(yīng)該對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行控制，包括采用預(yù)應(yīng)力錨索控制滑移變形、置換部分地基土、降低擋土墻的高度等等，然而控制擋土墻位移的結(jié)果土壓力變大，所以在控制擋土墻位移的情況下，應(yīng)保守的采用靜止土壓力驗(yàn)算擋土墻的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn):

[1] TB 10025—2006,鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，1970.

[3] 交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè) 路基[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 顧長(zhǎng)存，楊慶剛，張 錚.土工格柵加筋軟土路堤的數(shù)值分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,33(6):77-81.

[5] 王旭東，梅國(guó)雄，宰金珉.被動(dòng)土壓力折減系數(shù)的研究[J].工業(yè)建筑，2003,33(1):29-31.

[6] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].第2版.北京：水利水電出版社，1998.