二級懸臂式擋土墻的力學分析

蘇利亞

(內蒙古科技大學建筑與土木學院，內蒙古 包頭 014010)

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二級懸臂式擋土墻的力學分析

蘇利亞

(內蒙古科技大學建筑與土木學院，內蒙古 包頭 014010)

采用ANSYS軟件對二級懸臂式擋土墻進行位移和應力分析，確定一階懸臂式擋土墻重點分析X方向的位移和Y方向的位移，二階懸臂式擋土墻重點分析其墻背和墻踵面的受力情況；繪制出相應位置的位移和應力的分布曲線圖，找到其規律，為以后的設計施工提供一定的參考。

懸臂式擋土墻；ANSYS；土壓力

1 二級懸臂式擋土墻的有限元模型建立

在本模型中需要輸入以下材料參數，彈性模量、重度、泊松比；內摩擦角與黏聚力是材料抗剪強度的兩個力學指標，而在本例中認為擋土墻為彈性體，因此可不設內摩擦角與黏聚力。

如圖1所示，第一階懸臂式擋土墻在上部，基底放置在土體上；第二階懸臂式擋土墻在下部，基底放置在巖體上。第一階擋土墻墻背坡度比為1∶0.05，腋寬0.5 m，腋高0.3 m，基礎埋深0.3 m，底部寬度2.5 m，頂寬0.3 m，擋土墻總高4.5 m。第二階擋土墻墻背坡度比為1∶0.05，腋寬0.8 m，腋高1.3 m，基礎埋深0.5 m，底部寬度3.1 m，頂寬0.6 m，擋土墻總高4.5 m。

表1 計算參數

Plane82能很好的支持自動網格劃分，所以本例采用自動網格劃分工具，網格劃分的最終結果見圖2。只考慮重力場作用，不考慮其它荷載。

圖1 整體模型簡圖

圖2 模型整體網格劃分

2 擋土墻位移分析

圖3是分別在第一階懸臂式擋土墻和第二階懸臂式擋土墻墻背上取點，得到的X方向位移曲線圖。

圖3 擋土墻背X方向位移

由圖3可以看出，擋土墻X方向最大位移發生在第一階擋土墻距墻底4.5 m處，最大位移為26.32 mm。最小位移處發生在第二階擋土墻距墻底處。第二階擋土墻最大位移也僅為2.99 mm。

圖4是分別在第一階懸臂式擋土墻和第二階懸臂式擋土墻墻底取點，得到的Y方向位移曲線圖。

圖4 擋土墻背Y方向位移

由圖4可以看出，整體上第一階擋土墻位移從墻趾端到墻踵端逐漸減小，大體上成線性分布，第二階擋土墻墻底Y方向位移整體都趨近與零。墻底最大位移發生在第一階懸臂式擋土墻距墻趾端處，最大位移為40.19 mm。

3 擋土墻應力分析

(1)由X方向應力云圖可以看出擋土墻X方向拉應力最大的地方發生在第二階懸臂式擋土墻的墻踵面上，因此這里也是擋土墻危險的地方，所以在下面具體的數據分析中著重分析第二階懸臂式擋土墻墻踵面上X方向的應力。

通過ANSYS軟件在第一階懸臂式擋土墻墻踵面上取點，從距離墻趾端0.7 m處開始取點，一直取到第一階懸臂式擋土墻墻踵面端部；在第二階懸臂式擋土墻在墻踵面上取點，從墻背與墻踵面連接處開始取點，一直取到第二階懸臂式擋土墻墻踵面端部，得到X方向拉應力曲線圖5。

圖5 擋土墻墻踵面X方向拉應力

通過圖5可以看出第一階懸臂式擋土墻和第二階懸臂式擋土墻在墻踵面X方向均為受拉狀態，其X方向應力曲線像一條開口向下的拋物線。因為第一階懸臂式擋土墻放置在土體里，并且處于模型上部，其墻踵面拉應力較小，最大拉應力為0.1 MPa，遠小于C20混凝土抗拉強度設計值。第二階擋土墻由于巖石的限制，并處于模型下部，所以墻踵面拉引力較大，最大拉應力為0.98 MPa，接近C20混凝土抗拉強度設計值1.10 MPa，所以在第二階擋土墻墻踵面上應該加橫向抗拉鋼筋。

(2)由Y方向應力云圖可以看出擋土墻最大豎向拉應力發生在擋土墻墻背上，最大拉應力值發生在第二階懸臂式擋土墻墻背與墻踵面相交的位置，這里也是擋土墻容易發生破壞的地方，在下面具體分析中也會著重分析第二階懸臂式擋土墻墻背上Y方向的應力。

通過ANSYS軟件在第一階懸臂式擋土墻在墻面上取點，從墻背與墻踵面連接處開始取點，一直取到第一階懸臂式擋土墻墻頂；在第二階懸臂式擋土墻在墻背上取點，從墻背與墻踵面連接處開始取點，一直取到第二階懸臂式擋土墻墻頂。得到Y方向拉應力曲線圖6。

圖6 擋土墻Y方向拉應力

由圖6可以看出第一階懸臂式擋土墻和第二階懸臂式擋土墻在墻背均表現出拉應力，第一階懸臂式擋土墻墻背Y方向拉應力，比第二階懸臂式擋土墻小的多，從墻底開始在距離墻底2.9 m的位置達到最大拉應力，最大拉應力為0.21 MPa。第二階懸臂式擋土墻墻背拉應力較大，第二階擋土墻最大拉應力發生在墻高1.9 m處，最大拉應力為1.03 MPa，已經非常接近C20混凝土抗拉強度設計值1.10 MPa，因此第二階懸臂式擋土墻墻背必須根據實際情況加設縱向抗拉鋼筋。

4 結 論

(1)放置在土體里的第一階懸臂式擋土墻位移較大應力較小，放置在巖體上的第二階懸臂式擋土墻應力較大位移較小。

(2)懸臂式擋土墻墻背X方向的位移從墻底到墻頂位移逐漸增大，放置在土體上的第一階懸臂式擋土墻比放置在巖體上的第二階懸臂式擋土墻位移值大的多。

(3)懸臂式擋土墻墻底Y方向位移從墻趾端到墻踵端位移逐漸減小，放置在土體上的第一階懸臂式擋土墻比放置在巖體上的第二階懸臂式擋土墻位移值大的多。

[1] 趙明華，俞曉，王貽蓀.土力學與基礎工程[M],武漢:武漢理工大學出版社，2009.

[2] 王景環.新型懸臂式擋土墻有限元分析[D].環江西省水利科學研究院,2012.

[3] 傅志明.二級垛式懸臂式擋土墻動土壓力分析[D].江西理工大學學報,2015．

A dissereation on two-stage mechanical analysis of cantilever retaining wall

SU Li-ya

(Architecture and Civil Engineering School, Inner Mongolia University of Science and technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

This paper used ANSYS software on two level hanging arm type block wall for by force analysis, determine a order hanging arm type block wall focus analysis x direction of displacement and y direction of displacement, second-order hanging arm type block wall focus analysis its wall back and wall heel surface of by force situation, found its law. Provide a reference for the design and construction for the future.

cantilever retaining walls;ANSYS;earth pressure

2016-09-02

蘇利亞(1973-)，女，內蒙包頭人，副教授，碩士，從事工程力學教學工作。

U412

C

1008-3383(2017)05-0010-02