李瑞強

（安徽理工大學能源與安全學院,安徽 淮南 232001）

在土木、水利工程實踐過程中，為了維持建設(shè)場地地基的穩(wěn)定性，研究地基土與擋土結(jié)構(gòu)物接觸面的力學特性是一個重要課題[1]。由于擋土結(jié)構(gòu)物與地基土之間的變形模量差距較大，位于第四系風積沙地基中的擋土結(jié)構(gòu)物，其基底接觸面的受力狀態(tài)將影響擋土結(jié)構(gòu)物的抗滑能力[2]。所以，本文將采用數(shù)值模擬法，對陜北地區(qū)第四系風積沙地基中的擋土結(jié)構(gòu)物進行受力分析，有利于陜北地區(qū)面對第四系風積沙構(gòu)筑擋土結(jié)構(gòu)物時，采取相應(yīng)工程措施以提高擋土結(jié)構(gòu)物建造水準，并提高擋土結(jié)構(gòu)物抗滑穩(wěn)定性。

2 研究方案

有限元法的突出優(yōu)點是適用于處理非線性、非勻質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題，而土體應(yīng)力變形分析中恰恰存在這些困難問題。有限元方法的應(yīng)用，能比較好地解決這些困難，在擋土結(jié)構(gòu)物受力理論分析中開辟了新的途徑。

利用有限個單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)代替原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu)來分析土體的應(yīng)力和變形，這些單元體只在結(jié)點處有力的聯(lián)系。一般材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為：

利用有限單元法，可考慮土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，求得每一個計算單元的應(yīng)力及變形后，便可根據(jù)不同強度指標確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的擴展情況。若設(shè)法將局部破壞與整體破壞相聯(lián)系起來，找到合適的臨界滑面位置，再根據(jù)力的平衡關(guān)系推得安全系數(shù)，這樣，就能將穩(wěn)定問題與盈利分析結(jié)合起來?；蛘咔蟪鲈诟鞣N工作狀態(tài)下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)物的應(yīng)力分布狀況，由地基土的性質(zhì)確定一個破壞標準，以此來衡量擋土結(jié)構(gòu)物的安全程度[3]。

土體的應(yīng)急-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，反映到上式（1）中，矩陣[D]就不是常量，而是隨著應(yīng)力或者應(yīng)變的變化而變化。

土體在英吉利作用下產(chǎn)生的變形一般是非線性的，在各種應(yīng)力狀態(tài)下都有塑性變形；土體在受力后有明顯的塑性體積變形，而且在剪切時也會引起塑性體積變形（剪脹性）；土體受剪時發(fā)生剪應(yīng)變，其中一部分為彈性剪應(yīng)變，另一部分與土顆粒間相對錯動滑移而產(chǎn)生塑性剪應(yīng)變，剪應(yīng)力引起剪應(yīng)變，體積應(yīng)力也會引起剪應(yīng)變；土體還表現(xiàn)出硬化和軟化特性，應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史對變形有影響，中主應(yīng)力和固結(jié)壓力對變形也有影響，而且表現(xiàn)出各向異性。一般根據(jù)土的變形特性建立土的本構(gòu)模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 擋土墻簡化模型的建立

由于陜北地區(qū)較為干燥，土體含水率較低，基本可看作砂土，根據(jù)實際情況簡化的模型示意圖如圖1所示。

圖1 模型簡化圖

為簡化分析過程，需要對模型做出以下幾個基本假設(shè)：

土體為各項同性的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb強度準則；

各土層均為水平分布；

擋土墻結(jié)構(gòu)為混凝土材料澆筑，認為是各項同性的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb強度準則。模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

Flac 3D模型如圖2所示。擋土結(jié)構(gòu)為截面為梯形的壩體結(jié)構(gòu)，其中截面下底為5 m，上底為3 m，高為10 m，壩體長10 m。砂土體與混凝土壩體相接，底部長度為10 m，高度為7 m，寬度為10 m。

圖2 Flac 3D模型

3.2 擋土墻受力穩(wěn)定性分析

為模擬擋土墻受力情況，分別將壩體和砂土結(jié)構(gòu)賦值，其參數(shù)如表1所示。假設(shè)二者均為各向同性的均質(zhì)，利用Mohr-Coulomb準則計算二者在重力下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。

（1）擋土墻位移情況

根據(jù)計算結(jié)果繪制擋土墻和砂土模型的位移云圖如圖3所示。

圖3 模型位移云圖

如圖3所示，由于擋土墻結(jié)構(gòu)彈性模量及剛度較大，其位移量遠遠小于砂土模型，砂土模型的位移分布基本呈現(xiàn)層狀分布，但在與擋土墻接觸部分，其位移較同一層位的砂土有所減少，其云圖等值線出現(xiàn)上移，這是因為擋土結(jié)構(gòu)的存在阻擋了砂土的位移。

隨著深度加深，砂土的位移量逐漸減小，最大位移出現(xiàn)在砂土結(jié)構(gòu)表面，為1.085 5 cm，其底部位移幾乎為0。擋土墻結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在頂部遠離砂土的一側(cè)，為0.2 mm，遠遠小于砂土位移。

（2）擋土墻應(yīng)力情況

根據(jù)計算結(jié)果繪制擋土墻和砂土模型的應(yīng)力云圖如圖4所示。

如圖4所示，隨著結(jié)構(gòu)深度的加深，應(yīng)力越來越大，由于砂土為松散體，其應(yīng)力分布較均勻，基本呈現(xiàn)均布分布，擋土墻結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，其底部邊角處應(yīng)力值最大，達到0.36 MPa。

圖4 模型應(yīng)力云圖

（3）擋土墻應(yīng)變情況

根據(jù)計算結(jié)果繪制擋土墻和砂土模型的應(yīng)變云圖如圖5所示。

圖5 模型應(yīng)變云圖

如圖5所示，模型的主要應(yīng)變集中在擋土結(jié)構(gòu)與砂土結(jié)構(gòu)接觸面，呈現(xiàn)狹長分布，隨著深度的加深，其應(yīng)變值有所減少，最大值出現(xiàn)在接觸面頂端，達到1.35×10-2，但這部分應(yīng)變主要出現(xiàn)在砂土結(jié)構(gòu)內(nèi)，砂土結(jié)構(gòu)在與擋土墻接觸后，其砂土顆粒與擋土墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦，在重力作用下產(chǎn)生較大的位移，導(dǎo)致其應(yīng)變量隨之增大，由于擋土墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力和彈性模量較大，使其具有了較大的剛度，導(dǎo)致其應(yīng)變較小，具有較好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對擋土墻結(jié)構(gòu)的受力特性進行了理論分析，并借助Flac 3D數(shù)值模擬軟件，以陜北地區(qū)第四系風積沙擋土結(jié)構(gòu)物材料特性為基礎(chǔ)，對其位移云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖進行了分析，得到主要結(jié)論如下。

利用有限元的思想可對擋土結(jié)構(gòu)受力情況進行單獨分析，并通過迭代算法，計算出結(jié)構(gòu)物的受力情況。

對擋土墻結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，通過分析其位移、應(yīng)力、應(yīng)變云圖可發(fā)現(xiàn)，其位移主要發(fā)生在砂土結(jié)構(gòu)內(nèi)，且位移量隨深度增加而增加。

砂土中的應(yīng)力分布較為均勻，但擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在其底部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴重。

其應(yīng)變主要發(fā)生在擋土結(jié)構(gòu)與砂土的接觸面上，由于砂土內(nèi)聚力較小，其應(yīng)變主要發(fā)生在砂土結(jié)構(gòu)內(nèi)。