填芯材料對(duì)L型填芯箱式擋土墻穩(wěn)定性影響研究★

譚楚嫣，龍 騰

(1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412008; 2.湖南工業(yè)大學(xué),湖南 株洲 412007)

擋土墻是一種常見(jiàn)的邊坡支檔結(jié)構(gòu),因其施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及具有較高安全性能而被大量應(yīng)用于公路、大壩等各類施工建設(shè)場(chǎng)合[1]。近年來(lái),懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外石料匱乏區(qū)域以及地基承載能力不足、地震頻發(fā)等地區(qū)[2-3],因具有節(jié)省石料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工便捷、抗水平剪切力較高且經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良等特點(diǎn)而備受關(guān)注[4],該類擋土墻的受力及變形規(guī)律更是成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[5-6]。

L型填芯箱式擋土墻是一種以懸臂式擋土墻為基礎(chǔ)所提出的一種新型結(jié)構(gòu)[7],結(jié)合了懸臂式擋土墻的優(yōu)點(diǎn),且在相同條件下,具有比普通懸臂式擋土墻更高的支擋高度,以及更強(qiáng)的抗滑移和抗傾覆能力,主要是由于其立板和底板內(nèi)置填芯箱體,且箱體呈L型這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使其具備更強(qiáng)的承載能力和穩(wěn)定性[8]。而L型箱體的填芯材料作為影響L型填芯箱式擋土墻穩(wěn)定性的重要因素,本文通過(guò)快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D,簡(jiǎn)稱FLAC3D)軟件對(duì)不同填芯材料對(duì)L型填芯箱式擋土墻的穩(wěn)定性影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究,通過(guò)控制荷載條件,對(duì)擋土墻水平位移、豎直位移以及土壓力進(jìn)行對(duì)比分析,探究擋土墻的受力與變形,為該類擋土墻在實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用過(guò)程中填芯材料的科學(xué)選用提供借鑒參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

FLAC3D軟件通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際結(jié)構(gòu),能夠?qū)r石、土質(zhì)等材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行分析模擬,準(zhǔn)確模擬出受外力作用下材料的塑性破壞和流動(dòng),在巖土工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[9]。

本次數(shù)值模擬使用FLAC3D軟件進(jìn)行程序計(jì)算,建立模型如圖1所示,L型填芯箱式擋土墻墻高2.0 m,墻頂長(zhǎng)0.6 m,墻底板長(zhǎng)1.5 m,高0.8 m,底板箱體尺寸為1.3 m×0.6 m,墻身箱體尺寸為0.4 m×1.0 m。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

在L型填芯箱式擋土墻的數(shù)值模擬中,基于相關(guān)材料的力學(xué)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量,擋土墻背面填土和地基均采用Mohr-Coulonb模型,擋土墻墻體選用Elastic實(shí)體模型。

在數(shù)值模擬中,除賦予結(jié)構(gòu)合理的本構(gòu)關(guān)系外,還需要考慮不同材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、內(nèi)摩擦角以及密度等多個(gè)參數(shù)以準(zhǔn)確描述擋土墻和相關(guān)材料的性質(zhì),以提高數(shù)值模擬結(jié)果精度。為了建立合理的計(jì)算模型,數(shù)值模擬過(guò)程中所涉各項(xiàng)參數(shù)的選取詳見(jiàn)表1。

表1 各材料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬以FLAC3D軟件作為計(jì)算程序,在執(zhí)行結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分時(shí),需綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和效率,選定適宜的網(wǎng)格密度和數(shù)量。因箱體特殊結(jié)構(gòu)特性,在本次模擬過(guò)程中,對(duì)擋土墻附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,對(duì)距離擋土墻較遠(yuǎn)位置的網(wǎng)格設(shè)置較為稀疏。各個(gè)網(wǎng)格域分別歸屬于不同的單元組,并且分別對(duì)應(yīng)特定的材料本構(gòu)模型。模型共包括28 620個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及18 656個(gè)單元。

1.4 邊界條件

實(shí)際工程中的地基通常視為半無(wú)限體,而在使用有限差分法進(jìn)行模擬時(shí),通常僅截取需要計(jì)算的指定區(qū)域,因而,數(shù)值模擬時(shí),需限制地基底面z方向及模型側(cè)面x方向上的位移。

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),模型底部及其周圍被限制在相應(yīng)法線方向上的位移,而擋土墻的外側(cè)和頂部則為自由面。為使數(shù)值模擬結(jié)果更精確,首先建立完整的模型,并將其運(yùn)行到平衡狀態(tài),而后在擋土墻的頂部施加相應(yīng)的等效交通荷載。

1.5 填芯材料

L型箱體的填芯材料作為影響L型填芯箱式擋土墻穩(wěn)定性的重要因素,本文將通過(guò)改變填芯材料開(kāi)展數(shù)值模擬對(duì)比分析。石灰土因其取材便利,價(jià)格低廉,具有較高的強(qiáng)度、整體性及較好的水穩(wěn)性和抗凍性,在我國(guó)路基及支擋結(jié)構(gòu)的建設(shè)中得到廣泛采用。而黏土作為一種常見(jiàn)的土壤類型,其顆粒細(xì)小,且孔隙小而多,具有較強(qiáng)的脹縮性及可塑性,可通過(guò)填土、深層加固和排水措施等手段改善黏土地基的工程性能,是地基加固和地基處理的理想材料。因此,本文選取了石灰土、黏土兩種材料充填L型填芯箱體進(jìn)行模擬分析。

1.6 加載情況

數(shù)值模擬分析選取了石灰土、黏土兩種材料充填L型填芯箱體,并對(duì)其墻背填土5.4 m范圍內(nèi)分別施加10 kN/m2,30 kN/m2,50 kN/m2車輛荷載,對(duì)以上三種工況下?lián)跬翂λ轿灰?、豎直位移以及墻背土壓力進(jìn)行L型填芯箱式擋土墻數(shù)值模擬分析。

2 結(jié)果分析

2.1 水平位移分析

通常認(rèn)為,懸臂式擋土墻在荷載施加條件不變的情況下,其底部的土壓力最大,底部位移隨之相對(duì)較大。對(duì)兩類不同填芯材料充填的L型箱式擋土墻進(jìn)行施加不同的車輛荷載,分析處理后得到擋土墻墻高與水平位移關(guān)系圖,如圖2所示?？梢钥闯鰞深愄钚静牧系膿跬翂υ诓煌奢d施加的情況下,除黏土填芯L型擋土墻在50 kN/m2車輛荷載下接近極限平衡狀態(tài),其余均呈現(xiàn)出較為一致的水平位移變化規(guī)律,即從擋土墻底部到頂部,整體呈S型變化趨勢(shì),位移量最小出現(xiàn)在頂部。

對(duì)兩類填芯材料充填的擋土墻進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),在各類荷載條件下,黏土填芯擋土墻發(fā)生的水平位移量均大于石灰土填芯擋土墻水平位移量,認(rèn)為黏土填芯相較于石灰土填芯,更有利于支擋結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。特別是在車輛荷載增加至50 kN/m2的情況下可見(jiàn),黏土填芯擋土墻趨近墻體頂部,持續(xù)呈現(xiàn)出較大水平位移,而石灰土填芯L型擋土墻水平位移依舊遵循較為穩(wěn)定的變化規(guī)律。分析認(rèn)為,黏土填芯擋土墻在50 kN/m2荷載作用下出現(xiàn)異常位移趨勢(shì),是由于黏土填芯L型擋土墻在50 kN/m2車輛荷載下整體結(jié)構(gòu)接近極限平衡狀態(tài),墻體存在傾覆的可能,導(dǎo)致了頂部水平位移持續(xù)較大,而底部因底板箱體作用提供良好支承條件,使得擋土墻下部水平位移穩(wěn)定。綜上可見(jiàn),石灰土相較于黏土而言,能夠更好地提升擋土墻整體物理性能,有效減小L型填芯箱式擋土墻的水平位移,提高支擋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

2.2 豎直位移分析

對(duì)兩類不同填芯材料充填的L型箱式擋土墻進(jìn)行豎直位移對(duì)比分析,如圖3所示,可以發(fā)現(xiàn)石灰土填芯擋土墻相較于黏土填芯擋土墻,同荷載條件下所產(chǎn)生的豎直位移更小,表明其豎直位移降低效果更加顯著。趨近墻體頂部,可見(jiàn)兩類填芯擋土墻的沉降差異逐漸擴(kuò)大。由此可知,石灰土填芯擋土墻在減少擋土墻沉降方面的效果明顯優(yōu)于黏土填芯擋土墻,且隨著所施加的車輛荷載的逐漸增大,填芯材料對(duì)沉降的控制作用逐漸增強(qiáng),認(rèn)為填充物類型對(duì)控制擋土墻的沉降起著關(guān)鍵作用。

2.3 土壓力

如圖4所示,L型箱式擋土墻土壓力分布表現(xiàn)出墻體頂部較小、底部較大的特征,認(rèn)為該現(xiàn)象是因擋土墻的L型填芯箱體特征結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。該結(jié)構(gòu)使得擋土墻的上部區(qū)域承受荷載相對(duì)較小,應(yīng)力分布較為均勻,故而上部區(qū)域的應(yīng)力值較小。而下部區(qū)域承受的荷載較大,擋土墻箱體結(jié)構(gòu)的剛性致使擋土墻下部的土體受到較大壓力,致使底部區(qū)域的應(yīng)力值相對(duì)較大。

在相同的荷載條件下,進(jìn)行對(duì)比分析可以看出,石灰土填芯擋土墻的土壓力始終低于黏土填芯擋土墻的土壓力。認(rèn)為在相同的外部荷載條件下,L型填芯箱式擋土墻所選填芯材料對(duì)降低擋土墻土壓力有著較為顯著的作用。在實(shí)際施工設(shè)計(jì)中,可以通過(guò)選擇適宜的填芯材料來(lái)有效降低擋土墻的土壓力。

3 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)L型填芯箱式擋土墻在充填不同填芯材料情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究后,得出主要結(jié)論如下:

1)L型箱式擋土墻箱體內(nèi)充填填芯材料能夠有效增強(qiáng)擋土墻穩(wěn)定性,不同的填芯材料對(duì)L型填芯箱式擋土墻穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)明顯差異。

2)相較于黏土而言,石灰土作為L(zhǎng)型填芯箱式擋土墻的填芯材料,能夠更為有效地分散車輛荷載,抵抗外部壓力,有效降低擋土墻位移和土壓力,減小擋土墻的變形和受力,提升L型填芯箱式擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。建議在施工設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化填芯材料選擇,以實(shí)現(xiàn)更佳的擋土墻穩(wěn)定性能。