尚祖峰，劉海祿，何鈺龍，申楊凡，趙梓霖

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

在公路工程和水利工程當(dāng)中，擋土墻是支撐山坡土體或路基填土的重要支檔構(gòu)造物.根據(jù)適用條件不同，擋土墻可以分為重力式擋土墻、加筋土擋土墻、樁板式擋土墻、錨桿擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻等.懸臂式擋土墻是依靠墻踵懸臂以上的填料重維持穩(wěn)定，以其墻身截面較小、節(jié)約石料、對地基承載能力要求低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于公路工程和水利工程之中[1].本文以某工程路肩擋土墻為背景，通過有限元模型分析，得到擋土墻墻后填土對擋土墻應(yīng)力位移的影響分析.

1 計算模型

對哈爾濱某高等級公路的懸臂式路肩擋土墻進行分析，根據(jù)對線路走經(jīng)地層的現(xiàn)場勘察，結(jié)合室內(nèi)土工試驗，確定沿線場地地基土多為第四紀(jì)沖洪積形成的細砂層，強度低，且分布不連續(xù)，地基均勻性差，因此不適宜采用自重較大的重力式擋土墻，而采用對地基承載力要求較低的懸臂式擋土墻[2].

擋土墻縱向長40 m，設(shè)置分段長度為10 m，墻身距鍾板標(biāo)高0.5 m處設(shè)置泄水孔.擋土墻立壁、底板均采用C40引氣混凝土，抗凍等級F300，混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值ftd=18.4 N/mm2，混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ftk=2.39 N/mm2，混凝土彈性模量Ec=3.25×105N/mm2.按照墻高最高處7.08 m進行擋墻的截面尺寸設(shè)計，墻頂寬設(shè)置為0.4 m，立壁胸坡設(shè)為1∶0.05，基礎(chǔ)埋深1.0 m，擋土墻的橫斷面設(shè)計尺寸(見圖1)[3]

圖1 擋土墻橫斷面尺寸示意圖

圖2 有限元模型示意圖

建立合適的有限元分析模型是對懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確性的重要保證.由于路肩擋土墻是縱向較長的實體，因此在有限元分析中可以將計算模型簡化為平面問題.本例所采用土體與墻體單元均為材料庫中的PLANE82單元，此單元為8節(jié)點平面單元，每個節(jié)點有2個自由度，對不規(guī)則網(wǎng)格適應(yīng)能力很強，具有較高的精確度.土與墻的接觸單元則采用CONTA172單元[4-6].為了得到不同填料類型對于墻體的應(yīng)力應(yīng)變的影響，采用兩種工況的土體，一種為砂土，另一種為粘土，在結(jié)構(gòu)計算中土體采用Drucker—Prager法則來替換摩爾—庫倫定律.各個結(jié)構(gòu)部分的材料屬性參數(shù)(見表1).

表1 模型材料屬性參數(shù)表

將表1中各材料屬性參數(shù)定義，采用自下而上的建模方式，對懸臂式擋土墻及其周邊土體進行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型(見圖2).對有限元模型施加約束與荷載，對模型的下邊界進行固端約束處理，其左右邊界限制其X方向位移.模型荷載主要考慮自重荷載以及汽車活載，汽車活載值的計算根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2004)[5]中的相關(guān)規(guī)定：車輛荷載附加荷載強度，墻高小于2 m，取20 kN/m2；墻高大于10 m，取10 kN/m2；墻高在2～10 m之內(nèi)時，附加荷載強度用直線內(nèi)插法計算.因此取用q=163 500 pa作為車輛荷載值加載于路基填土的表面直線上，對整體結(jié)構(gòu)施加自重作用后進行求解分析.

2 計算結(jié)果分析

運用Ansys12.1對懸臂式擋土墻進行分析，求解完成后，進入通用后處理查看器，查看不同工況下懸臂式擋土墻的X方向位移云圖(見圖3)、應(yīng)力云圖(見圖4).

圖3 懸臂式擋墻不同工況下X方向位移云圖

圖4 懸臂式擋墻不同工況下應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3～圖4的顯示結(jié)果，兩種工況下的擋土墻頂端的X方向的變形絕對值最大，這是由于擋土墻的后方主要受到主動土壓力的作用.而工況2中擋土墻在X方向位移值的最大值較工況1的值要小，僅為工況1中值的35.85%，而對于墻底，工況2中的擋土墻X方向位移值則比工況1中的要大.懸臂式擋土墻在不同工況下的應(yīng)力云圖基本一致，最大值均出現(xiàn)右側(cè)墻根，為受拉應(yīng)力，其中工況2中擋土墻的應(yīng)力值均比對應(yīng)工況1中的值要小.且越靠近墻頂?shù)奈恢茫r2的值較工況1小的幅度就越大，其中工況2擋土墻頂部的應(yīng)力值為工況1中擋土墻頂部應(yīng)力值的0.499 7%，而對于墻底處的應(yīng)力值，工況2為工況1的79.2%.

根據(jù)兩種不同工況下的懸臂式擋土墻的應(yīng)力變形云圖可以看出，墻體的X方向的變形極值出現(xiàn)在擋土墻頂端處，而最大應(yīng)力值卻出現(xiàn)在擋土墻的右側(cè)墻根處，這是由于擋土墻的后方受到主動土壓力的作用，且主動土壓力呈現(xiàn)出“三角形”向下增長，使得擋墻頂端的土體變形最大，根部所受的土壓力最大.

為進一步探究懸臂式擋土墻的應(yīng)力位移與墻后填土粘聚力的關(guān)系，將工況2中粘聚力折減后，運用有限元軟件計算擋土墻應(yīng)力變形，其粘聚力與最大X方向位移應(yīng)力關(guān)系(見圖5～圖6).

圖5 X方向最大位移—粘聚力趨勢

圖6 最大應(yīng)力值—粘聚力趨勢

根據(jù)圖5，圖6可以看出，隨著粘聚力的增大，土體對墻體在X方向最大位移以及最大應(yīng)力的變化趨勢是一致的，均是以較快的速率下降，當(dāng)粘聚力到達一定值時，X方向最大位移值及最大應(yīng)力值趨于穩(wěn)定.

通過兩種工況下應(yīng)力位移云圖的對比及最大值-粘聚力趨勢圖可知:使用粘性土體作為墻后填料的效果較砂土要好，這是由于當(dāng)粘土作為墻背填料時，雖然容重有所增加,但是由于其存在一定的粘聚力，根據(jù)朗肯土壓力理論可知，擋土墻受到的土壓力σz與土層深度z之間的極限平衡關(guān)系式見式(1)[7].

(1)

式中，γ—墻后填料的容重；φ—墻后填料的內(nèi)摩擦角；c—墻后填料的粘聚力.

由式(1)可以看出，粘性土的主動土壓力是由2部分組成，其中一部分為由粘性土自身引起的土壓力為γztan2(45°-φ/2)，另一部分為由土體粘聚力引起的負(fù)側(cè)壓力2c(45°-φ/2)，而砂性土則無此部分粘聚力，因此在相同的行車荷載下，工況1中擋土墻的應(yīng)力及位移值均要大于工況2中擋土墻應(yīng)力及位移值，且越靠近墻頂端，粘聚力引起的負(fù)側(cè)壓力所占土體主動主壓力的比重就越大，兩者在X方向位移以及應(yīng)力值相差的幅度就越大；當(dāng)粘聚力足夠大時，由于擋土墻不可能受到負(fù)的土壓力，此時土體對擋墻的土壓力為0，此時無支檔措施土體也不會出現(xiàn)塌陷，此時擋土墻的最大應(yīng)力及X方向最大變形為上部行車荷載引致的，因此趨于穩(wěn)定值.

3 結(jié) 語

以某工程懸臂式擋土墻為背景，通過有限元法對墻后填料為砂土和粘土兩種工況的懸臂式擋土墻進行應(yīng)力變形分析，主要可以得到以下結(jié)論

(1)工況1和工況2中的擋土墻的X方向上的位移均為負(fù)方向，其最大變形值均出現(xiàn)在擋土墻頂端，且隨著深度的增大X方向變形值逐漸減小；兩種工況下?lián)跬翂Φ膽?yīng)力最大值均出現(xiàn)在擋土墻根右側(cè)，這是由于隨著深度的增加，墻后填土的主動土壓力逐漸增大的結(jié)果.

(2)工況2中擋土墻的X方向位移值以及應(yīng)力值較工況1中擋土墻的X方向位移值及應(yīng)力值要小，且越接近墻體頂端，兩者相差的幅度就越大，說明粘性土作為懸臂式擋土墻填料要比砂土好.這是由于粘性土作為墻后填料可以提供粘聚力使得土體主動土壓力變小，且深度越淺由土體粘聚力引起的負(fù)側(cè)壓力所占比重就越大.

(3)當(dāng)土體粘聚力增大到某一定值時，擋土墻所受到的最大應(yīng)力以及X方向變形值趨于穩(wěn)定，因此在無粘土可用的情況下在砂土中添加纖維等使得砂土具備一定的附加粘聚力以改善擋土墻受力.

(4)兩種工況的最大應(yīng)力值為5.96 MPa以及4.72 MPa，均超過了混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ftk=2.39 MPa，因此，對此懸臂式擋土墻應(yīng)做相應(yīng)的配筋處理以提高其總體抗拉強度.

參考文獻：

[1] 程培峰. 路基路面工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[2] 中華人民共和國交通部. JTGD63-2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 陳忠達. 公路擋土墻設(shè)計[M]. 北京: 人民交通出版社,2004.

[4] 王 偉.ANSYS14.0 土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[5] 梁學(xué)文,劉 倩. 懸臂式擋土墻的有限元分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:城市科學(xué)版, 2003,20(2):99-102.

[6] 中華人民共和國交通部. JTGD30-2004 公路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 劉紅軍.土質(zhì)學(xué)土力學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012.

信息啟示

2014亞洲國家農(nóng)村電氣化研修班學(xué)員訪問我校

9月16日，“2014亞洲國家農(nóng)村電氣化研修班”學(xué)員訪問我校.該研修班是中國商務(wù)部援外培訓(xùn)項目，由亞太地區(qū)小水電研究培訓(xùn)中心承辦.15位學(xué)員分別來自巴基斯坦、巴勒斯坦、印度尼西亞、約旦、老撾、緬甸、尼泊爾、斯里蘭卡等8個亞洲國家,均為能源及農(nóng)村電氣化領(lǐng)域的官員.

學(xué)員參觀了水利與環(huán)境學(xué)院的水利仿真實驗室、電氣學(xué)院的動態(tài)模擬電廠、變電綜合自動化室、新能源與智能微電網(wǎng)實驗室等.研修班學(xué)員認(rèn)真聽取介紹，與講解老師交流農(nóng)村電氣化和可再生能源方面的技術(shù)知識和信息，并對我校的實驗室條件及校園環(huán)境交口稱贊，紛紛留影紀(jì)念.

此次交流，是繼去年非洲國家小水電培訓(xùn)班來訪，我校和亞太地區(qū)小水電研究培訓(xùn)中心的又一次合作，使來自亞洲國家的同行了解了我校在水利水電人才培養(yǎng)方面的經(jīng)驗和做法，這也是我校師生對外交流學(xué)習(xí)的極好機會.亞太地區(qū)小水電研究培訓(xùn)中心外事與培訓(xùn)處的林凝處長全程陪同了此次交流活動，也表達了希望今后與我校在國際化培訓(xùn)等方面進一步加強合作的意向.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)