耿樓節制閘擋土墻施工動態仿真與基礎相互作用研究

李新國

（河南省固始縣節能監察中心 固始 465200）

1 ADINA有限元軟件簡介

ADINA系統是一個單機系統的程序，用于進行固體、結構、流體以及結構相互作用的流體流動的復雜有限元分析。

2 計算原理

2.1 解析法原理

朗肯土壓力理論認為墻后填土達到極限平衡狀態時，與墻背接觸的任一土單元體都處于極限平衡狀態，然后根據土單元體處于極限平衡狀態時應力所滿足的條件來建立土壓力計算公式。計算中假定土體是具有水平表面的半無限體，墻背豎直光滑。

2.2 有限元原理

有限元法的突出優點是適于處理非線性、非均質和復雜邊界等問題，適用于土體應力變形分析。有限元法，是用有限個單元體所構成的離散化結構代替原來的連續體結構，來分析應力變形。這些單元體只在結點處有力的聯系。材料的應力—應變關系可表示為：

由虛位移原理建立單元體的結點力與結點位移之間的關系，可得到平衡方程：

式中：［K］｛、｛δ｝、｛R｝分別為勁度矩陣、結點位移列陣和結點荷載列陣。把荷載作用于結點，由上式可求得位移，進而求出應變和應力。

土體的應力—應變關系是非線性的，矩陣［D］不是常量，而隨應力或應變改變，由此推得的勁度矩陣［K］也隨應力或應變而變。這種應力—應變關系叫做本構關系。

計算分析時，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，此模型的屈服面存在尖頂和棱角這些奇異點，為了避免數值計算的繁雜和收斂緩慢，選取連續光滑的流動趨勢函數，其形狀在子午線上是雙曲線，在π面上是橢圓。

由于填土和擋土墻之間存在相對位移，因此采用了接觸分析。接觸面可以傳遞壓力而不能承受拉力。受拉時，后墻與土之間形成裂隙可以模擬墻背與土之間的脫開。接觸面只能在有壓力作用的時候傳遞剪力。切向接觸采用Coulomb摩擦模型，在摩擦剪應力τ達到極限應力τcrit前，接觸面不會有相對移動。摩擦剪應力τ達到極限應力τcrit后，接觸面開始滑移，滑動的方向與摩擦剪應力方向相同。

2.3 幾何模型

根據設計圖紙和地勘報告，建立了節制閘擋土墻二維數值計算模型，由于結構的對稱性，模型選取節制閘一側擋土墻為計算實例。其中岸墻高度為20.0m，翼墻高度為18.0m。墻底面以下取40.0m，為岸墻高度的2倍，邊坡坡比為1∶3，邊坡以上取向X正方向延伸21.0m，節制閘長度取22.0m，分別為擋土墻高度的1倍以上，擋土墻和填土計算平面圖如圖1所示。有限元采用四邊形網格剖分，共剖分1174個結點，1053個單元，節制閘隔板自由端設定為左右向約束，土體左右兩側左右方向約束，底部上下方向約束。墻后填土下部16.5m為8%水泥土，上部3.5m為素填土。計算時填土分10步填筑，每層2.0m，土性變化處填土高度略做調整，其中素填土分兩步填筑，分別為1.5m和2.0m。填土部分剖分結點200個，單元200個。

為合理模擬填土引起的閘室穩定性，在進行有限元計算時，認為土體為彈塑性、各向同性材料；混凝土閘體為線彈性材料；不考慮土體固結；假定土體符合摩爾—庫倫準則，閘體與土層之間的接觸按照接觸面單元考慮影響。

根據填土施工順序，按如下步驟進行填土模擬：（1）模擬初始應力場分布；（2）模擬第一層填土；（3）模擬第二層填土；（4）模擬第三層填土；（5）模擬第四層填土。

圖1 擋土墻與填土平面示意圖

2.4 計算參數

計算中基地土體按照一層劃分，圍土按照兩層劃分，基底土體為Q3壤土，圍土上部4.0m為Q4壤土，下部為Q3壤土。填土下部為8%水泥土，上部為素填土。計算參數地質報告進行統計后取平均值，勘察報告沒有給出的參數按照同類地質條件相關工程資料得出，水泥土粘聚力按照最小設計值80.0kPa取值。填土與擋墻之間采用庫侖摩擦接觸模型，摩擦系數取0.3。采用的計算參數如表1。

3 施工動態仿真模擬

3.1 擋土墻土壓力變化過程

由于下部填土粘聚力較大，地基土體相對較軟，沉降量較大，在水泥土填土完成后，土體和墻體之間沒有土壓力產生。填土在粘聚力的作用下，與擋土墻分離，最大分離量為6.0cm，出現在離擋土墻底8.0m的位置。底部墻土分離量最大為2.57cm，在素填土填筑后有輕微的減小。圖2為最大拉張間隙和墻腳填土拉張間隙變化圖。

從圖中可以看出，拉張間隙隨著填土的增加而增大，原因在于隨著填土的增加，地基沉降加大，導致拉張間隙不斷擴大。在素填土填筑完成后，由于強度較低，粘聚力較小，在離岸墻頂部1.0m左右出現了微小的土壓力，最大值為4.8kPa。

3.2 擋土墻位移過程

3.2.1 Y方向位移過程

在填土過程中，由于墻后填土的作用，墻后地基土產生沉降，導致了擋土墻發生傾向墻后填土的變形。隨著填土的進行，位移量不斷加大。在填土完成后，擋土墻墻頂向Y正方向的位移量為6.2mm，墻腳向Y負方向的位移量為5.5mm。且擋土墻水平向的變形速率隨著施工的進行逐漸加大。

3.2.2 Z方向位移過程

在第一步填土完成后，填土以下地基土發生沉降變形，最大變形量為2.9cm，擋土墻由于地基沉降，也發生了變形，最大沉降量為7.7mm。隨著填土的繼續升高，填土下部沉降最大值點逐漸向邊坡移動，在填土完成后，沉降最大值點在邊坡坡角以上2.0m原坡面上，最大沉降量為44.3cm。填土完成后，擋土墻的最大沉降量發生在擋墻墻腳位置，最大為11.7cm。擋土墻的位移與填土荷載增量基本上呈一種線性趨勢。

表1 擬采用的計算參數表

圖2 最大拉張間隙和墻腳填土拉張間隙隨填土過程變化曲線圖

3.3 擋土墻應變結果

3.3.1 應變矢量結果

拉應變主要集中在墻腳位置的地基土中，導致地基土體與墻腳分離。壓應變在填土第一步完成后主要出現在填土以及其下部地基中，隨著填土進行，最大應變逐漸向邊坡方向移動，與位移趨勢基本一致。同時墻腳位置的填土中也出現了壓應變的集中，為填土自重導致。

3.3.2 Y方向應變結果

Y向應變最大值集中在墻腳和填土下地基土中，在填土后期，由于素填土的粘聚力較小，填土和擋土墻產生了土壓力，有壓應變產生。填土完成后，墻腳出現拉應變集中，拉應變量最大為0.0028。壓應變最大值在墻后底板上，壓應變量最大為0.0002。隨著填土的進行，拉應變增長速率逐漸加大，在施工后期，應變增長最為明顯。

3.3.3 Z方向應變結果

與Y向應變趨勢相反，Z向應變拉應變最大值出現在墻腳以下土體，壓應變出現在填土及以下地基中。并且隨著填土的進行，地基土中壓應變最大值逐漸向邊坡移動。在填土完成后，壓應變最大值為0.025，出現在墻腳填土位置。拉應變最大值為0.012，出現在墻腳下地基土中。擋土墻最大拉應變出現在墻腳下部，接近0.001，最大壓應變出現在墻后節制閘底板下部，為0.0015，最大拉應變和壓應變隨填土變化過程如圖3。

3.3.4 YZ方向應變結果分析

在施工過程中，壓剪應變主要集中在墻腳以下地基土和擋土墻接觸處，填土完成后達到0.032。最大拉剪應變初始出現在坡角位置，隨著填土的進行，其集中區域逐漸向邊坡方向移動，在填土結束以后，其集中區域基本位于邊坡中心距坡底1.0m區域，最大為0.0072。

圖3 擋土墻Z向最大拉應變和壓應變隨填土過程變化曲線圖

3.4 計算結果分析

在擋土墻施工過程中，基礎在填土自重作用下，發生水平和豎向變形。墻腳下地基土向Y負方向位移，邊坡坡下地基土向Y正方向位移，隨著施工的進行位移區域逐漸加大。正向最大位移出現在邊坡中間下部的地基中，隨著填土的進行，最大值點由地基下部逐漸向上移動，在施工結束后最大值點移動到離底部14.0m處，正向最大位移達到6.3cm。Y負方向最大位移位于填土與邊坡接觸處的最上部，且隨著填土的進行而逐漸上移，施工完成后位于坡頂位置，最大值接近4.9cm。

4 結論與建議

在研究了地質邊界條件和地層物理力學參數的基礎上，應用經典朗肯土壓力理論對擋土墻的土壓力進行了計算，并得出以下結論：

（1）采用朗肯土壓力計算的擋土墻底部的分布土壓力為27.5kPa，總的土壓力為71.4kN/m，作用點在墻腳以上2.06m位置。而有限元計算結果顯示在8%水泥土填土以后，擋土墻都沒有土壓力產生。而素填土填筑以后，土壓力也非常小，最大分布土壓力低于5.0kPa，遠遠低于混凝土的抗壓強度，不會對擋土墻的穩定產生影響。

（2）擋土墻由于墻體結構的復雜性，在填土以后擋土墻發生了不均勻沉降。填土結束后，沉降最大點位于岸墻上游側，最大達到11.6cm，岸墻和上游翼墻的差異沉降為0.8mm，岸墻和下游翼墻的差異沉降為3.3mm，完全滿足設計規范要求。

（3）節制閘擋土墻的變形形式為輕微的轉動變形。其中岸墻轉動幅度最大，底部背向填土位移為3.2mm，頂部傾向填土位移為2.54mm，由于位移量較小，不會影響結構穩定性■