扶壁式擋土墻有限元分析

朱 進 成

(上海勇創建設發展有限公司，上海 200000)

近年來，我國巖土工程中支擋結構形式不斷發展，支擋結構形式也從過去單純靠重力維持平衡的重力式擋土墻發展為采用支撐、土筋復合結構以及錨固技術等多種新型、輕型支擋新技術，例如懸臂式、扶壁式等新型擋土墻，由于這些新型擋土墻結構具有結構輕巧、施工快捷、投資少等特點，很快在各類工程中得到了廣泛的應用。這類新型擋土墻結構充分利用材料強度，截面輕巧，因此新型擋土墻結構的變形是一個應該引起足夠重視的問題，正是由于此原因，相關資料建議懸臂式擋土墻高度不宜大于6 m，扶壁式擋土墻高度不宜大于10 m[1]。

1 工程概況

某水泥廠堆料場采用扶壁式擋土墻結構圍成堆場，扶壁式擋土墻結構及墻后堆料關系尺寸見圖1，一般扶壁式擋土墻的構造尺寸滿足扶壁的間距通常在墻高的1/3～1/2范圍內變動，扶壁的厚度約為扶壁間凈距的1/8～1/6，但不小于30 cm[2]。本工程中，擋土墻立板厚0.4 m，扶肋厚0.5 m，扶肋間距4.5 m，墻趾板厚1.2 m，寬2.35 m，墻踵板厚1.2 m，寬3.25 m。

由于工程實際的需要，需計算該扶壁式擋土墻的頂部最大位移。盡管扶壁式擋土墻理論研究和實踐應用已取得了一定進展，但實際中還是多采用庫侖土壓力理論求得總的土壓力用于扶壁式擋土墻的穩定性和強度計算[3]，而擋土墻位移涉及土體和擋土墻本身的相互作用，在墻后土壓力和自重的作用下，既有地基土的變形也有擋土墻本身的變形。本文借助有限元軟件對實際工程中的扶壁式擋土墻結構位移進行數值分析，用巖土有限元軟件PLAXIS建模進行土結整體分析，計算擋土墻在自身變形及地基土變形的情況下的總變形，同時用結構有限元軟件SAP2000計算擋土墻本身在土壓力作用下的變形，以指導設計，并供其他同類工程參考。

2 有限元分析

2.1 土結整體分析

為了解擋土墻在墻后堆料產生的主動土壓力作用下，地基土和擋土墻自身的總變形，采用PLAXIS巖土有限元軟件整體建模分析，考慮到擋土墻結構為平面應變問題，采用平面模型，節省計算時間。

1)土體本構模型、擋土墻土體接觸面關系、擋土墻墻體模型。

本次計算模型的選取：土體模型采用軟件自帶的摩爾庫侖模型，擋土墻墻體采用線彈性模型，土體與擋土墻之間的接觸面采用雙線性的摩爾庫侖模型來進行模擬。地基土及墻后堆料采用彈塑性Drucker-Prager準則[4]，地基土及堆料物理力學性質見表1。在擋土墻與地基土和堆料之間設置接觸面單元。

表1 材料物理力學性質

有限元網格圖見圖2，兩邊法向約束，底部固定約束。

2)計算位移結果。在擋土墻的墻頂、中間及墻角部位分別設1,2,3三個監測點。在墻后堆料的作用下，圖3為擋土墻及墻后堆料的變形云圖，圖4為擋土墻三個監測點的水平位移值。

根據計算結果可以看出：a.由于擋土墻對堆料的約束作用，墻后堆料的最大水平位移發生在墻頂以上一定距離的坡上，而不是坡角處；b.土結整體作用時擋土墻的水平位移頂部最大，底部最小，中間次之，同時頂部水平位移最大值約為60 mm，符合擋土墻達到主動土壓力時的位移量(0.001～0.005)h，h為擋土墻的高度[5]，即此時擋土墻后的土壓力已達主動土壓力。

2.2 擋土墻結構分析

為了了解擋土墻在同樣的主動土壓力作用下，自身的變形，采用結構有限元軟件SAP2000分析擋土墻結構的變形。

2.2.1有限元模型

采用殼單元模擬擋土墻的各個部分[6]，加入水平土壓力荷載、豎直土壓力荷載、自重，為了使結構計算的結果有比較意義，土壓力采用前面PLAXIS軟件計算得到的土壓力，最后將擋土墻底板采用固定約束，最終建模結果見圖5。

2.2.2計算水平位移結果

由于兩端挑出部分在實際情況中不出現，不考慮兩端挑出部分的較大水平位移，計算最大水平位移出現在擋土墻頂部，計算位移結果如圖6所示，最大位移為2.2 mm。

3 計算結果對比分析

根據前面兩種情況的模擬計算，發現在滿足一般扶壁式擋土墻尺寸要求的前提下，扶壁式擋土墻的剛度是比較大的，其自身的變形只占到總變形量的很小一部分，因此，在設計，扶壁式擋土墻結構在截面尺寸滿足一般構造性要求時，扶壁式擋土墻可以視為剛體，可以忽略本身的變形，擋土墻產生的水平位移主要為剛體位移，由地基土產生。因此，在地質條件比較差，而又需要控制變形時，更應該對地質條件進行控制，包括采用預應力錨索控制滑移變形、置換部分地基土、降低擋土墻的高度等等，然而控制擋土墻位移的結果土壓力變大，所以在控制擋土墻位移的情況下，應保守的采用靜止土壓力驗算擋土墻的強度及穩定性。

參考文獻:

[1] TB 10025—2006,鐵路路基支擋結構設計規范[S].

[2] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，1970.

[3] 交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊 路基[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 顧長存，楊慶剛，張 錚.土工格柵加筋軟土路堤的數值分析[J].河海大學學報，2005,33(6):77-81.

[5] 王旭東，梅國雄，宰金珉.被動土壓力折減系數的研究[J].工業建筑，2003,33(1):29-31.

[6] 朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].第2版.北京：水利水電出版社，1998.