耿樓節(jié)制閘擋土墻施工動(dòng)態(tài)仿真與基礎(chǔ)相互作用研究

李新國(guó)

（河南省固始縣節(jié)能監(jiān)察中心 固始 465200）

1 ADINA有限元軟件簡(jiǎn)介

ADINA系統(tǒng)是一個(gè)單機(jī)系統(tǒng)的程序，用于進(jìn)行固體、結(jié)構(gòu)、流體以及結(jié)構(gòu)相互作用的流體流動(dòng)的復(fù)雜有限元分析。

2 計(jì)算原理

2.1 解析法原理

朗肯土壓力理論認(rèn)為墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，與墻背接觸的任一土單元體都處于極限平衡狀態(tài)，然后根據(jù)土單元體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)力所滿足的條件來(lái)建立土壓力計(jì)算公式。計(jì)算中假定土體是具有水平表面的半無(wú)限體，墻背豎直光滑。

2.2 有限元原理

有限元法的突出優(yōu)點(diǎn)是適于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問(wèn)題，適用于土體應(yīng)力變形分析。有限元法，是用有限個(gè)單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)代替原來(lái)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，來(lái)分析應(yīng)力變形。這些單元體只在結(jié)點(diǎn)處有力的聯(lián)系。材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可表示為：

由虛位移原理建立單元體的結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，可得到平衡方程：

式中：［K］｛、｛δ｝、｛R｝分別為勁度矩陣、結(jié)點(diǎn)位移列陣和結(jié)點(diǎn)荷載列陣。把荷載作用于結(jié)點(diǎn)，由上式可求得位移，進(jìn)而求出應(yīng)變和應(yīng)力。

土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是非線性的，矩陣［D］不是常量，而隨應(yīng)力或應(yīng)變改變，由此推得的勁度矩陣［K］也隨應(yīng)力或應(yīng)變而變。這種應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系叫做本構(gòu)關(guān)系。

計(jì)算分析時(shí)，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，此模型的屈服面存在尖頂和棱角這些奇異點(diǎn)，為了避免數(shù)值計(jì)算的繁雜和收斂緩慢，選取連續(xù)光滑的流動(dòng)趨勢(shì)函數(shù)，其形狀在子午線上是雙曲線，在π面上是橢圓。

由于填土和擋土墻之間存在相對(duì)位移，因此采用了接觸分析。接觸面可以傳遞壓力而不能承受拉力。受拉時(shí)，后墻與土之間形成裂隙可以模擬墻背與土之間的脫開。接觸面只能在有壓力作用的時(shí)候傳遞剪力。切向接觸采用Coulomb摩擦模型，在摩擦剪應(yīng)力τ達(dá)到極限應(yīng)力τcrit前，接觸面不會(huì)有相對(duì)移動(dòng)。摩擦剪應(yīng)力τ達(dá)到極限應(yīng)力τcrit后，接觸面開始滑移，滑動(dòng)的方向與摩擦剪應(yīng)力方向相同。

2.3 幾何模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和地勘報(bào)告，建立了節(jié)制閘擋土墻二維數(shù)值計(jì)算模型，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，模型選取節(jié)制閘一側(cè)擋土墻為計(jì)算實(shí)例。其中岸墻高度為20.0m，翼墻高度為18.0m。墻底面以下取40.0m，為岸墻高度的2倍，邊坡坡比為1∶3，邊坡以上取向X正方向延伸21.0m，節(jié)制閘長(zhǎng)度取22.0m，分別為擋土墻高度的1倍以上，擋土墻和填土計(jì)算平面圖如圖1所示。有限元采用四邊形網(wǎng)格剖分，共剖分1174個(gè)結(jié)點(diǎn)，1053個(gè)單元，節(jié)制閘隔板自由端設(shè)定為左右向約束，土體左右兩側(cè)左右方向約束，底部上下方向約束。墻后填土下部16.5m為8%水泥土，上部3.5m為素填土。計(jì)算時(shí)填土分10步填筑，每層2.0m，土性變化處填土高度略做調(diào)整，其中素填土分兩步填筑，分別為1.5m和2.0m。填土部分剖分結(jié)點(diǎn)200個(gè)，單元200個(gè)。

為合理模擬填土引起的閘室穩(wěn)定性，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，認(rèn)為土體為彈塑性、各向同性材料；混凝土閘體為線彈性材料；不考慮土體固結(jié)；假定土體符合摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，閘體與土層之間的接觸按照接觸面單元考慮影響。

根據(jù)填土施工順序，按如下步驟進(jìn)行填土模擬：（1）模擬初始應(yīng)力場(chǎng)分布；（2）模擬第一層填土；（3）模擬第二層填土；（4）模擬第三層填土；（5）模擬第四層填土。

圖1 擋土墻與填土平面示意圖

2.4 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中基地土體按照一層劃分，圍土按照兩層劃分，基底土體為Q3壤土，圍土上部4.0m為Q4壤土，下部為Q3壤土。填土下部為8%水泥土，上部為素填土。計(jì)算參數(shù)地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取平均值，勘察報(bào)告沒(méi)有給出的參數(shù)按照同類地質(zhì)條件相關(guān)工程資料得出，水泥土粘聚力按照最小設(shè)計(jì)值80.0kPa取值。填土與擋墻之間采用庫(kù)侖摩擦接觸模型，摩擦系數(shù)取0.3。采用的計(jì)算參數(shù)如表1。

3 施工動(dòng)態(tài)仿真模擬

3.1 擋土墻土壓力變化過(guò)程

由于下部填土粘聚力較大，地基土體相對(duì)較軟，沉降量較大，在水泥土填土完成后，土體和墻體之間沒(méi)有土壓力產(chǎn)生。填土在粘聚力的作用下，與擋土墻分離，最大分離量為6.0cm，出現(xiàn)在離擋土墻底8.0m的位置。底部墻土分離量最大為2.57cm，在素填土填筑后有輕微的減小。圖2為最大拉張間隙和墻腳填土拉張間隙變化圖。

從圖中可以看出，拉張間隙隨著填土的增加而增大，原因在于隨著填土的增加，地基沉降加大，導(dǎo)致拉張間隙不斷擴(kuò)大。在素填土填筑完成后，由于強(qiáng)度較低，粘聚力較小，在離岸墻頂部1.0m左右出現(xiàn)了微小的土壓力，最大值為4.8kPa。

3.2 擋土墻位移過(guò)程

3.2.1 Y方向位移過(guò)程

在填土過(guò)程中，由于墻后填土的作用，墻后地基土產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致了擋土墻發(fā)生傾向墻后填土的變形。隨著填土的進(jìn)行，位移量不斷加大。在填土完成后，擋土墻墻頂向Y正方向的位移量為6.2mm，墻腳向Y負(fù)方向的位移量為5.5mm。且擋土墻水平向的變形速率隨著施工的進(jìn)行逐漸加大。

3.2.2 Z方向位移過(guò)程

在第一步填土完成后，填土以下地基土發(fā)生沉降變形，最大變形量為2.9cm，擋土墻由于地基沉降，也發(fā)生了變形，最大沉降量為7.7mm。隨著填土的繼續(xù)升高，填土下部沉降最大值點(diǎn)逐漸向邊坡移動(dòng)，在填土完成后，沉降最大值點(diǎn)在邊坡坡角以上2.0m原坡面上，最大沉降量為44.3cm。填土完成后，擋土墻的最大沉降量發(fā)生在擋墻墻腳位置，最大為11.7cm。擋土墻的位移與填土荷載增量基本上呈一種線性趨勢(shì)。

表1 擬采用的計(jì)算參數(shù)表

圖2 最大拉張間隙和墻腳填土拉張間隙隨填土過(guò)程變化曲線圖

3.3 擋土墻應(yīng)變結(jié)果

3.3.1 應(yīng)變矢量結(jié)果

拉應(yīng)變主要集中在墻腳位置的地基土中，導(dǎo)致地基土體與墻腳分離。壓應(yīng)變?cè)谔钔恋谝徊酵瓿珊笾饕霈F(xiàn)在填土以及其下部地基中，隨著填土進(jìn)行，最大應(yīng)變逐漸向邊坡方向移動(dòng)，與位移趨勢(shì)基本一致。同時(shí)墻腳位置的填土中也出現(xiàn)了壓應(yīng)變的集中，為填土自重導(dǎo)致。

3.3.2 Y方向應(yīng)變結(jié)果

Y向應(yīng)變最大值集中在墻腳和填土下地基土中，在填土后期，由于素填土的粘聚力較小，填土和擋土墻產(chǎn)生了土壓力，有壓應(yīng)變產(chǎn)生。填土完成后，墻腳出現(xiàn)拉應(yīng)變集中，拉應(yīng)變量最大為0.0028。壓應(yīng)變最大值在墻后底板上，壓應(yīng)變量最大為0.0002。隨著填土的進(jìn)行，拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸加大，在施工后期，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最為明顯。

3.3.3 Z方向應(yīng)變結(jié)果

與Y向應(yīng)變趨勢(shì)相反，Z向應(yīng)變拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在墻腳以下土體，壓應(yīng)變出現(xiàn)在填土及以下地基中。并且隨著填土的進(jìn)行，地基土中壓應(yīng)變最大值逐漸向邊坡移動(dòng)。在填土完成后，壓應(yīng)變最大值為0.025，出現(xiàn)在墻腳填土位置。拉應(yīng)變最大值為0.012，出現(xiàn)在墻腳下地基土中。擋土墻最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在墻腳下部，接近0.001，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在墻后節(jié)制閘底板下部，為0.0015，最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變隨填土變化過(guò)程如圖3。

3.3.4 YZ方向應(yīng)變結(jié)果分析

在施工過(guò)程中，壓剪應(yīng)變主要集中在墻腳以下地基土和擋土墻接觸處，填土完成后達(dá)到0.032。最大拉剪應(yīng)變初始出現(xiàn)在坡角位置，隨著填土的進(jìn)行，其集中區(qū)域逐漸向邊坡方向移動(dòng)，在填土結(jié)束以后，其集中區(qū)域基本位于邊坡中心距坡底1.0m區(qū)域，最大為0.0072。

圖3 擋土墻Z向最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變隨填土過(guò)程變化曲線圖

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在擋土墻施工過(guò)程中，基礎(chǔ)在填土自重作用下，發(fā)生水平和豎向變形。墻腳下地基土向Y負(fù)方向位移，邊坡坡下地基土向Y正方向位移，隨著施工的進(jìn)行位移區(qū)域逐漸加大。正向最大位移出現(xiàn)在邊坡中間下部的地基中，隨著填土的進(jìn)行，最大值點(diǎn)由地基下部逐漸向上移動(dòng)，在施工結(jié)束后最大值點(diǎn)移動(dòng)到離底部14.0m處，正向最大位移達(dá)到6.3cm。Y負(fù)方向最大位移位于填土與邊坡接觸處的最上部，且隨著填土的進(jìn)行而逐漸上移，施工完成后位于坡頂位置，最大值接近4.9cm。

4 結(jié)論與建議

在研究了地質(zhì)邊界條件和地層物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用經(jīng)典朗肯土壓力理論對(duì)擋土墻的土壓力進(jìn)行了計(jì)算，并得出以下結(jié)論：

（1）采用朗肯土壓力計(jì)算的擋土墻底部的分布土壓力為27.5kPa，總的土壓力為71.4kN/m，作用點(diǎn)在墻腳以上2.06m位置。而有限元計(jì)算結(jié)果顯示在8%水泥土填土以后，擋土墻都沒(méi)有土壓力產(chǎn)生。而素填土填筑以后，土壓力也非常小，最大分布土壓力低于5.0kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土的抗壓強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)擋土墻的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

（2）擋土墻由于墻體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在填土以后擋土墻發(fā)生了不均勻沉降。填土結(jié)束后，沉降最大點(diǎn)位于岸墻上游側(cè)，最大達(dá)到11.6cm，岸墻和上游翼墻的差異沉降為0.8mm，岸墻和下游翼墻的差異沉降為3.3mm，完全滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）節(jié)制閘擋土墻的變形形式為輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。其中岸墻轉(zhuǎn)動(dòng)幅度最大，底部背向填土位移為3.2mm，頂部?jī)A向填土位移為2.54mm，由于位移量較小，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性■