交通荷載作用下懸臂式擋土墻力學(xué)特性研究

徐庶德

（中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司，廣州 510405）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸事業(yè)突飛猛擊。作為最重要的交通運(yùn)輸方式之一，公路運(yùn)輸迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。作為公路運(yùn)輸?shù)闹匾d體，公路工程建設(shè)的需求亦日益增長。在公路建設(shè)中，擋土墻結(jié)構(gòu)是最常用的支擋結(jié)構(gòu)物，常見的擋土墻有多種結(jié)構(gòu)形式，如重力式、懸臂式、扶壁式、錨桿式等[1]，如圖1 所示。

圖1 公路擋土墻常見的結(jié)構(gòu)形式

重力式擋土墻一般用塊石、磚或者素混凝土筑成，主要依靠擋土墻本身所受的重力保持穩(wěn)定，通常用于墻高小于5 m的低擋土墻，其特點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，施工工期短，能就地取材，對地基承載力要求高，工程量大，沉降量大。懸臂式擋土墻多用鋼筋混凝土施工而成，其穩(wěn)定性主要依靠墻踵懸臂以上的土所受重力維持，它的懸臂部分的拉應(yīng)力由鋼筋來承受，適用于地基土質(zhì)差且墻高低于5 m 的工程。其特點(diǎn)是截面尺寸小，施工方便，對地基承載力要求不高，工作面較大。當(dāng)擋土墻的高度大于10 m 時，為了增加懸臂抗彎剛度，沿墻長縱向每隔0.8～1.0 m 設(shè)置1 道扶壁，稱為扶壁式擋土墻，其特點(diǎn)是工程量小，對地基承載力要求不高，工藝較懸臂式復(fù)雜。錨桿式擋土墻是指主要由預(yù)制的鋼筋混凝土柱、擋土板構(gòu)成的墻面，與水平或傾斜的鋼錨桿聯(lián)合組成。錨桿的一端與立柱連接，另一端被錨固在山坡深處的巖層或土層中。墻后側(cè)壓力由擋土板傳給立柱，由錨桿與巖體之間的錨固力，即錨桿的抗拔力，使墻獲得穩(wěn)定，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕、柔性大，工程量少、造價低，施工工藝較復(fù)雜，適用于地基承載力較低、墻高較大的重要工程[2-4]。

如前所述，不同結(jié)構(gòu)形式的擋土墻具有不同的特點(diǎn)和適用條件，懸臂式擋土墻在公路工程建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛。為此，本文將以某高速公路工程中所采用的懸臂式擋土墻為工程背景，基于通用有限元軟件ABAQUS 建立三維數(shù)值模型，系統(tǒng)地研究交通荷載作用下懸臂式擋土墻的變形與內(nèi)力分布規(guī)律。

2 懸臂式擋土墻數(shù)值模型

本文數(shù)值模型基于通用有限元軟件ABAQUS 開展。作為世界著名的大型通用有限元軟件之一，可以分析非常復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，能夠使復(fù)雜模型可視化，對高度非線性問題可以最大限度地收斂處理。相比其他有限元軟件，ABAQUS 具有以下3 方面優(yōu)勢：（1）可以對高度非線性問題進(jìn)行求解，且可對復(fù)雜非線性材料本構(gòu)進(jìn)行模擬；（2）對各向異性材料、非均質(zhì)問題處理方便；（3）對各種復(fù)雜邊界條件適應(yīng)性好，且包含了豐富的單元種類和材料庫。

在建模過程中，墻后土體采用摩爾庫倫模型[5]。摩爾庫倫模型主要適用于單調(diào)荷載作用下的顆粒狀材料力學(xué)行為的模擬，廣泛應(yīng)用于與巖土相關(guān)的工程中[6]。

摩爾庫倫本構(gòu)模型的屈服面函數(shù)為：

式中，Rmc為剪切強(qiáng)度，取值與φ 有關(guān)；φ 為摩擦角，取值范圍為0°～90°；c 為材料的黏聚力；p 為壓力。

本文建立的懸臂式擋土墻有限元模型如圖2 所示。

圖2 懸臂式擋土墻-土體相互作用有限元模型

3 交通荷載作用下懸臂式擋土墻力學(xué)特性分析

為分析交通荷載作用下懸臂式擋土墻的力學(xué)特性，基于所建立的懸臂式擋土墻-土體相互作用模型分別研究了懸臂式擋土墻的變形與受力特性。圖3 給出了交通荷載作用下懸臂式擋土墻在x 方向與z 方向的位移分布，圖4 給出了懸臂式擋土墻在x 方向與z 方向的應(yīng)力分布。

圖3 交通荷載作用下懸臂式擋土墻位移分布（單位：m）

圖4 交通荷載作用下懸臂式擋土墻應(yīng)力分布（單位：Pa）

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在交通荷載作用下，懸臂式擋土墻的立板在水平方向與懸臂梁類似，即墻頂變形較大，立板與底板連接處變形較小。在縱向，懸臂式擋土墻的位移變化較小，整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“剛體運(yùn)動”特征，這是由于擋土墻的縱向位移主要是由墻周土體變形所引起的，結(jié)構(gòu)本身變形相對土體變形導(dǎo)致的變位較小。另外，通過圖4 可以看出，懸臂式擋土墻的根部應(yīng)力較大，這是由于在墻后土壓力作用下，擋土墻根部彎矩較大，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力較其他位置更大，通過縱向應(yīng)力分布結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，懸臂式擋土墻在墻后土壓力作用下，其立板應(yīng)力分布特征與懸臂梁亦類似[7-9]。

4 結(jié)語

本文以某高速公路建設(shè)所采用的懸臂式擋土墻為工程背景，采用數(shù)值方法研究了交通荷載作用下懸臂式擋土墻的力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，懸臂式擋土墻的立板在水平方向呈現(xiàn)墻頂變形大、墻底變形小的趨勢，且在墻后土壓力作用下其立板的應(yīng)力分布特征與懸臂梁類似。期望相關(guān)成果能為懸臂式擋土墻建造提供參考。