新型裝配扶壁式擋土墻結構特性有限元分析

章宏生+沈振中+徐力群+周志杰+葉興成+劉益志

摘要：新型裝配扶壁式擋土墻具有環保美觀，施工速度快的優點，但存在新老混凝土結合面及拼接縫，影響結構整體性。結合宿遷市馬陵河整治工程，采用有限元法，分析研究了該擋土墻結構的應力、位移和變形特性及新老混凝土結合面參數對結構受力性態的影響。結果表明，新老混凝土結合面剪應力小于抗滑力，剪切變形很小，屬彈性變形，結合面黏結良好；拼接縫處面板拉應力遠小于混凝土抗拉強度；新型裝配扶壁式擋土墻拉應力較大區域分布于扶壁上端與預制板連接處、扶壁前端與底板連接處及面板與底板連接處，最大值為1.15 MPa，小于混凝土抗拉強度設計值；擋土墻變形及位移均很小，滿足應用要求；不考慮結合面黏聚力時，結合面摩擦系數在0.5以上，結構強度均能滿足要求。該工程新型裝配扶壁式擋土墻安全性滿足要求，技術方案是可行的，可推廣應用，成果可供設計和施工參考。

關鍵詞：裝配扶壁式擋土墻；結合面；拼接縫；結構特性；有限元法

中圖分類號：TU471 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0145-06

Abstract：New assembly buttressed retaining wall is environmentally friendly，beautiful，and can be constructed rapidly，but the adjoining faces between the old and new concrete and the joints can affect the integrity of the structure.Based on the renovation project of Maling river in Suqian city，we analyzed the characteristics of the stress，displacement，and deformation of the wall and the influence of different parameters of the adjoining faces on the loading behavior of the structure using the finite element method.The results showed that the shear stress of the adjoining faces is smaller than the anti-sliding force and that the elastic shear deformation is very small and belongs to the elastic deformation.The tensile stress in the joint is far less than the tensile strength of the concrete.There is greater tensile stress in the junctions between the upper end of the buttress and the precast slab，between the front end of the buttress and the floor，and between the panel and floor.The maximum tensile stress is 1.15 MPa，less than the design tensile strength of the concrete.The deformation and displacement of the retaining wall are small and meet the application requirements.Without regard to the cohesion of the adjoining face，the friction coefficient of the adjoining face is more than 0.5.The new assembly buttressed retaining wall of the project meets the safety requirements.The technical scheme is feasible and applicable.The analysis results can provide reference for design and construction.

Key words：assembly buttressed retaining wall；adjoining face；joint；structural characteristics；finite element method

新型裝配扶壁式擋土墻符合建筑工業化的大趨勢，可以實現綠色施工，是一種具有廣闊應用前景的結構型式，與傳統擋土墻采用現場立模澆筑不同，新型裝配扶壁式擋土墻則被分解為底板、面板和扶壁板等分離式結構，底板為現場澆筑，面板和扶壁板為預制雙面疊合混凝土板，在現澆底板上安裝后澆筑內芯混凝土，形成完整的裝配扶壁式擋土墻。這種新型裝配式擋土墻在結構上存在新老混凝土結合面及拼接縫[1-4]，結構的整體性存在不確定因素，安全性存在隱患。目前對裝配式混凝土結構的研究主要集中于框架結構、剪力墻結構[5-13]，對這種新型裝配扶壁式擋土墻結構性態的研究幾乎為空白，對如何設計裝配式擋土墻、評價其安全性缺乏理論依據，嚴重制約了該類擋土墻的應用推廣。

鑒于此，針對裝配扶壁式擋土墻的結構特點，即擋土墻新老混凝土結合面及拼接縫是可能的薄弱面，根據宿遷市馬陵河整治工程的實際情況，采用三維有限元法，以軟件ANSYS的內置接觸面[14-17]模擬新老混凝土結合面，應用Mohr-Coulomb模型[18-19]控制接觸面之間的黏結和滑動，建立新型裝配扶壁式擋土墻的三維有限元模型，分析研究新型裝配扶壁式擋土墻結構的應力及變形特性，評價其結構安全性和設計合理性，為該類擋土墻設計、評價和應用提供理論依據。

1 新型裝配扶壁式擋土墻結構型式

宿遷市馬陵河整治工程根據景觀設計及施工進程要求，擬采用新型裝配扶壁式擋土墻，該新型裝配扶壁式擋土墻被分解為底板、面板和扶壁板等分離式結構，底板為現場澆筑，面板和扶壁板為預制雙面疊合混凝土板，在現澆底板上安裝后澆筑內芯混凝土，形成完整的裝配扶壁式擋土墻，設計結構尺寸見圖1，底板、面板、扶壁板的連接方式見圖2。

如圖1（b）所示，預制雙面疊合混凝土板每塊長度為6 m，包括面板預制雙面疊合板、扶壁板預制雙面疊合板，兩塊預制雙面疊合混凝土板在拼接時存在拼接縫，澆筑二期混凝土時需封閉，以防止澆筑內芯混凝土時發生漏漿，拼接縫處面板與扶壁板的厚度實際為二期澆筑混凝土板厚度。擋土墻扶壁側填土至墻頂，另一側為河道。如圖1所示，擋土墻左側為填土側，右側為河道側，并約定：面板預制雙面疊合板填土側的預制板稱為填土側預制板；河道側的預制板稱為河道側預制板；二期澆筑的內芯混凝土稱為二期澆筑混凝土板。如圖2所示，河道側預制板直接插入底板、填土側預制板及扶壁板預制雙面疊合板下端均預留鋼筋插入底板，現場澆筑混凝土后，內芯混凝土與底板為整澆，面板及扶壁板與底板連接性能良好，連接處可視為固結；扶壁板預制雙面疊合板插入面板預留孔中，現場澆筑混凝土后，扶壁板與面板內芯混凝土為整澆，扶壁板與面板連接性能良好，連接處可視為固結。

2 有限元模型及計算參數

根據該新型裝配扶壁式擋土墻結構的對稱性，以拼接縫為對稱面，取相鄰兩塊預制雙面疊合混凝土板各一半結構建立三維有限元模型，即所取擋土墻軸線方向長度為6 m，見圖3。坐標系為右手系，規定為：x軸方向為擋土墻橫剖面的水平方向，指向河道為正；y軸方向為垂直向，指向上方為正，與高程一致；z軸方向為擋土墻軸線方向，符合右手法則。沿擋土墻軸線截斷面是結構對稱面，該兩側截斷邊界及底板底面取為法向約束。

采用ANSYS中的SOLID65單元來模擬鋼筋混凝土結構的擋土墻[20]。假定混凝土和鋼筋之間黏結良好，無相對滑移，采用整體式建模方式，即將

鋼筋連續均勻地分布于單元中，視單元為連續均勻材料。鋼筋對結構的貢獻，采用根據剛度矩陣EI等效的原則提高材料的彈性模量的方法來實現。考慮到擋土墻面板的預制混凝土雙面疊合板存在拼接縫，該處有效厚度實際為二期澆筑混凝土板的厚度。底板、扶壁板、面板連接性能良好，視為固結。

根據預制雙面疊合混凝土板生產廠家對結合面強度的室內試驗測定，各試樣預制雙面疊合板與二期澆筑混凝土之間的結合良好，直至試樣破壞時，結合面均未出現錯動滑移，見圖4。

二期澆筑混凝土板和面板預制疊合板之間的結合面采用接觸面模擬，兩個接觸體都是變形體，是柔體-柔體接觸，接觸方式采用面-面接觸[21]，應用ANSYS內嵌的三維接觸面單元TARGE170和CONTA173形成接觸對來模擬，并采用Mohr-Coulomb模型來控制接觸面之間的黏結和滑動，表達式為

式中：τ為接觸面間的等效剪應力；c為黏聚力；f為接觸面摩擦系數，f=tanφ，φ為內摩擦角；p為接觸部位的壓應力。當接觸面間的等效剪應力τ

3 新型裝配扶壁式擋土墻結構特性分析

新型裝配扶壁式擋土墻結構特性分析的計算工況包括施工期和運行期。限于篇幅，這里僅給出最不利工況（施工期完建情況，或檢修時河道抽干情況）的成果，分析擋土墻的應力和變形特性。該工況下，荷載有自重、填土壓力、地下水壓力及車行荷載。填土側填土高度至墻頂，車行荷載取7.5 kN/m2[23]，河道側水位為地面高程，地下水位為河道平均水位。

3.1 結合面受力特性分析

新型裝配扶壁式擋土墻新老混凝土結合面是可能的薄弱面，故分析填土側預制板與二期澆筑混凝土板結合面、河道側預制板與二期澆筑混凝土板結合面的應力變形特性。為方便起見，約定：填土側預制板與二期澆筑混凝土板結合面為結合面1；河道側預制板與二期澆筑混凝土板結合面為結合面2。

圖5為擋土墻面板兩結合面剪應力圖，可見，受擋土墻扶壁的影響，兩結合面剪應力較大的區域呈花瓣形分布。結合面1的最大剪應力為0.17 MPa，結合面2的最大剪應力為0.09 MPa，均未超過結合面的黏聚力，顯然該擋土墻結合面不會發生剪切破壞。圖6為擋土墻面板兩結合面剪切變形圖，可見，結合面剪切變形分布與剪應力分布一致，剪切變形較大的區域呈花瓣形分布。結合面1最大剪切變形為0.013 5 mm，結合面2最大剪切變形為0.007 4 mm，均很小，為剪切彈性變形。從擋土墻兩結合面的應力和變形來看，擋土墻結合面的膠結良好，在設計荷載作用下，結合面不會發生破壞，面板結構是整體的，安全滿足要求。3.2 二期澆筑混凝土板應力變形特性分析板拼接后澆筑內芯混凝土形成，澆筑內芯混凝土時，為了防止漏漿，在拼接縫處需要采取止漿措施，因此面板拼接縫處面板的實際厚度應為二期澆筑混凝土的厚度，即面板設計厚度應扣除兩側疊合板的厚度，本工程面板設計厚度為0.35 m，疊合板厚度為0.08 m。因此，面板拼接縫處是擋土墻結構薄弱部位，這里分析該部位的應力。二期澆筑混凝土板靠近河道側的面為正面，靠近填土側的面為背面。

圖7為二期澆筑混凝土板正面第一主應力圖，可見受擋土墻扶壁的影響，二期澆筑混凝土板正面在扶壁處處于受壓狀態，在拼接縫處處于受拉狀態，最大拉應力為0.63 MPa。該拉應力小于二期澆筑混凝土C30的抗拉強度設計值，因此，拼接縫處面板強度滿足要求。

3.3 新型裝配扶壁式擋土墻整體應力變形特性分析 新型裝配扶壁式擋土墻預制雙面疊合板與二期澆筑混凝土板的結合面在設計荷載作用下黏結良好，未發生剪切破壞，因此，該新型裝配扶壁式擋土墻整體性良好，除拼接縫處面板表面存在結構縫以外，擋土墻可帶縫工作。

圖8為擋土墻第一主應力圖，可見，新型裝配扶壁式擋土墻拉應力較大的區域出現在扶壁上端與預制板連接處、扶壁前端與底板連接處及面板與底板連接處，拉應力最大值為1.15 MPa，該拉應力小于擋土墻混凝土C30抗拉強度設計值。圖9為擋土墻沿x方向（垂直擋土墻軸線）的水平向位移圖，可見，受擋土墻扶壁約束的影響，擋土墻沿x向位移由墻底到墻頂逐漸增大，位移最大值為0.238 mm，出現在兩扶壁的跨中、墻頂拼接縫處；圖10為擋土墻變形放大3 000倍后的變形圖，受扶壁的約束作用，面板變形呈現波浪狀，同一高度，拼接縫處變形最大。總體來看，擋土墻變形很小，可滿足應用要求。

3.4 結合面強度參數對擋土墻應力變形特性的影響 正常情況下二期澆筑混凝土板與預制疊合板的結合面膠結良好，不會出現剪切破壞，擋土墻的整體性可以得到保證。但是，由于施工的不確定性，施工質量往往存在差異，因此，考慮結合面不同強度參數，研究其對新型裝配扶壁式擋土墻應力變形特性的影響。實際情況下，澆筑二期內芯混凝土時，面板可能存在由內芯混凝土收縮產生的結合面開裂，因此將二期澆筑混凝土板與預制疊合板結合面黏聚力設為0。結合面的摩擦系數分別取0.8、0.7、0.6、0.5、0.4，計算分析擋土墻在最不利工況下的應力和變形，并與整體澆筑的擋土墻進行對比。計算成果見表2，其變化曲線見圖11。

由表2和圖11可以看出：（1）隨著結合面摩擦系數逐漸降低，結合面剪應力、壓應力均逐漸降低，填土側預制板承擔的土壓力逐漸增大，擋土墻最大拉應力逐漸增大。（2）只要結合面的摩擦系數在0.5以上，新型裝配扶壁式擋土墻拉應力均小于混凝土的抗拉強度設計值，可滿足要求。（3）整體澆筑的擋土墻與不考慮結合面黏結力、結合面摩擦系數為0.8的新型裝配扶壁式擋土墻相比，最大拉應力稍小，但差別不大。

4 結論

新型裝配扶壁式擋土墻具有環保美觀，施工速度快的優點，但存在新老混凝土結合面及拼接縫，影響結構整體性。結合宿遷市馬陵河整治工程，采用有限元法，分析、研究了擋土墻新老混凝土結合面、拼接縫處的應力、變形特性，論證了該新型裝配扶壁式擋土墻結構的整體性。在最不利情況下，該擋土墻結合面膠結良好，不會發生剪切破壞，拼接縫處混凝土拉應力小于擋土墻混凝土C30的抗拉強度設計值，擋土墻安全性滿足要求，設計方案在技術上是合理的。該成果可供設計和施工參考，此擋土墻的建造工藝可推廣應用。

該新型裝配扶壁式擋土墻在竣工期拉應力較大的區域分布于扶壁上端與預制板連接處、扶壁前端與底板連接處及面板與底板連接處，建議在這些部位配置必要的鋼筋。

不考慮結合面的黏結力，隨著結合面摩擦系數逐漸降低，結合面剪應力、壓應力均逐漸降低，填土側預制板承擔的土壓力逐漸增大，擋土墻最大拉應力逐漸增大；只要結合面的摩擦系數在0.5以上，新型裝配扶壁式擋土墻拉應力均小于混凝土的抗拉強度設計值，可滿足要求。建議施工過程中確保結合面保持粗糙，以提高結合面摩擦系數。

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