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        交通荷載作用下懸臂式擋土墻力學(xué)特性研究

        2021-12-31 07:31:00徐庶德
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2021年20期
        關(guān)鍵詞:立板擋土墻懸臂

        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(huì)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(lái)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(zhǎng)。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(jiàn)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(jiàn)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(jiǎn)單,施工方便,施工工期短,能就地取材,對(duì)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(lái)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(duì)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(shí),為了增加懸臂抗彎剛度,沿墻長(zhǎng)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(duì)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(jià)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(kāi)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(wèn)題,能夠使復(fù)雜模型可視化,對(duì)高度非線性問(wèn)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(shì):(1)可以對(duì)高度非線性問(wèn)題進(jìn)行求解,且可對(duì)復(fù)雜非線性材料本構(gòu)進(jìn)行模擬;(2)對(duì)各向異性材料、非均質(zhì)問(wèn)題處理方便;(3)對(duì)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(kù)。

        在建模過(guò)程中,墻后土體采用摩爾庫(kù)倫模型[5]。摩爾庫(kù)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(kù)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(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“剛體運(yùn)動(dòng)”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(duì)土體變形導(dǎo)致的變位較小。另外,通過(guò)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(guò)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(yǔ)

        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(shì),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。

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