多級擋土墻的力學分析

付立平

(內蒙古包頭市公路工程質量監督站，內蒙古 包頭 014040)

多級擋土墻的力學分析

付立平

(內蒙古包頭市公路工程質量監督站，內蒙古 包頭 014040)

應用ANSYS10.0分析軟件，建立合理的多級擋土墻模型進行數值分析，對各級擋土墻墻背土壓力的大小和分布規律，以及擋土墻的水平、豎直位移，X、Y方向的應力進行研究，總結得出應力、位移的變化規律。

多級擋土墻； ANSYS； 數值分析

1 多級重力式擋土墻的有限元模型建立

本模型的擋土墻墻背坡度比為1∶0.15，墻面坡度比為1∶0.25，基礎埋深1.7 m，底部寬度5.69 m，墻身高度5.1 m。擋土墻采用C20混凝土砌筑。基巖、填土和擋土墻的物理及力學參數如表1所示。

表1 材料參數

選擇恰當的模型尺寸和單元類型，對約束條件進行合理的設置，然后按照平面問題考慮建立整體模型見圖1，對整體模型網格細化處理見圖2，精確求解擋土墻應力和位移的大小，以得到較為精確的計算結果，使結果分析更趨于合理。

圖1 整體有限元模型

圖2 整體有限元模型劃分

2 擋土墻位移分析

各階擋土墻中側向位移最大的出現在第一階擋土墻，平均位移為51.88 mm，最大位移出現在墻頂部為52.18 mm；相比前兩階，第三階擋土墻的側向位移則要小很多，原因和其底部埋在基巖里對擋土墻的側向移動有一定約束相關；各階擋土墻側向位移均隨著墻身高度的升高而增大，側向位移最大點均出現在墻頂部，說明擋土墻順時針傾斜，在實際工程中如果需要對擋土墻側向位移進行觀測時，最好選擇擋土墻的頂部作為觀測部位；而第二階擋土墻側向位移幅度變化最為明顯，相比另外兩階墻體幾乎平移的移動，第二階擋土墻則出現了更為明顯的旋轉，在實際工程中對于可能發生的因為旋轉而致擋土墻發生傾覆需要進行重點監測。

在各階擋土墻中沉降最大的是第一階擋土墻，平均沉降為56.44 mm，最大沉降出現在墻趾與墻底交點處為56.63 mm；在各階擋土墻墻底中最右側沉降量均比左側沉降量要大，第三階擋土墻由于處在基巖內而基巖剛度較大所以沉降最小。

3 擋土墻應力分析

(1)圖3為ANSYS中的第三階擋土墻X方向應力云圖，(在查看各階擋土墻X方向應力云圖時發現，擋土墻最大拉壓應力出現的位置大體相似，均在墻面彎折處和墻底部距墻踵3.9 m處，而第三階擋土墻拉壓應力較大，所以只出示第三階擋土墻云圖為例)。第三階擋土墻最大壓應力出現在墻面彎折處，最大值為1 150 kPa，等于1.15 MPa， C20混凝土的軸心壓應力為9.6 MPa，遠大于擋土墻壓應力最大值，所以符合要求；最大拉應力出現在墻底部距離墻踵3.9 m處，最大值為439.825 kPa，約等于0.4 MPa，而C20混凝土的軸心拉應力為1.1 MPa，同樣符合強度要求。

(2)如圖4所示，在各階擋土墻中第一階和第二階擋土墻最大拉壓應力位置相似，壓應力最大出現在墻面彎折處，而拉應力則出現在墻趾與墻面交線處，分別為第一階擋土墻壓應力為0.417 MPa、拉應力為0.072 MPa，第二階擋土墻壓應力為0.499 MPa、拉應力為0.096 MPa，而第三階擋土墻的最大拉應力則是出現在墻背高1.9 m處，為0.136 MPa，最大壓應力則是與前兩階擋土墻的位置相似，為0.959 MPa。對于拉應力的分析，可能是由于第三階擋土墻基礎部分埋在基巖內，在上部土壓力作用下擋土墻有向右運動的趨勢，而下部的基巖約束其向右運動，在墻背處產生彎矩，出現拉應力。對于Y方向的應力，同樣符合擋土墻的強度設計等級，如有特殊要求可使用加筋混凝土或提高強度等級等。

圖3

圖4

4 結 論

(1)從擋土墻的位移結果來看，各級擋土墻的位移由下至上成增長趨勢，第三階擋土墻最小，第一階擋土墻最大。整個模型中，第三階擋土墻處于基巖內，所以比較穩固，位移量也比較小，第一、二階擋土墻位于填土內，所以會產生較大變形從而會引起擋土墻位移較大。(2)結合對各級擋土墻的位移和應力的分析結果來看，距離基巖的豎向高度越高，擋土墻位移越大，所受到的壓力較小，反之離基巖豎直方向高度越小，擋土墻位移越小，所受到的壓力較大。(3)從擋土墻的應力結果分析來看，第三階擋土墻無論是拉應力還是壓應力都是三者中最大的，分別出現在墻底和墻面彎折處。

[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] 胡仁喜，康士廷.ANSYS14.5土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2013.

2016-09-26

付立平(1970-)，男，內蒙包頭人，工程師。

U418.9

：B

：1008-3383(2017)06-0064-01