基于ANSYS的浸水重力式擋土墻- 土體系受力與變形數(shù)值模擬分析

魏峰

(甘肅省蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，蘭州730050）

1 引言

重力式擋土墻具有良好的結(jié)構(gòu)自穩(wěn)能力，施工方便且經(jīng)濟效益高，在公路、鐵路、水利、港灣工程、水閘岸邊等工程中廣泛應(yīng)用。而由于靠近河道的浸水重力式擋土墻的特殊性，其受力及變形特征表現(xiàn)的更為復(fù)雜。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對擋土墻的受力及變形等問題進行了大量的研究，并取得了一定的成果。Enrique Castillo 把傳統(tǒng)的土壓力計算方法和基于概率的可靠度方法結(jié)合在一起，得到了一種新的擋土墻受力計算方法[1]；Li 等[2]通過對重力式擋土墻的動力響應(yīng)分析，提出了擋土墻抗震穩(wěn)定性的分析方法；于德湖、姚裕春、蘆佳等[3~5]分別采用數(shù)值模擬方法對扶壁式、懸臂式及衡重式擋土墻進行了模擬分析，得出了不同形式擋土墻的受力及變形特點。同時，也有部分學(xué)者對浸水擋土墻進行研究分析，例如，Valeriy 等[6]提出了一種泥漿型浸水擋土墻的設(shè)計方案和施工工藝，能有效抵抗地層以及河水的側(cè)向荷載；范小倩，高青松[7，8]分別對浸水重力式擋土墻的穩(wěn)定問題進行分析和探討；付佩[9]通過對比分析受力模式及計算方法等，研究了浸水擋土墻與一般擋土墻的異同。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，目前對浸水重力式擋土墻的穩(wěn)定性研究較多，但對墻后應(yīng)力的分布還多采用經(jīng)典的庫倫理論，先計算總的土壓力，然后按三角形分布來反推墻后應(yīng)力分布，這種做法不能準(zhǔn)確地反映墻后土壓力的分布。另外，對于墻體位移的研究，一般采用實測的方法，這種方法一方面成本較高，另一方面，對于有一定埋深的墻體，實測位移精度難以得到保證。基于此，本文以某工程已建靠近河道的重力式擋土墻為依托，利用ANSYS 有限元軟件對該浸水重力式擋土墻進行天然狀態(tài)及洪水剛過時2 種不同工況下墻-土體系的應(yīng)力分布以及位移響應(yīng)規(guī)律分析，以期對該類擋土墻的設(shè)計、維護及加固等提供理論依據(jù)與參考。

2 工程概況

該擋土墻為位于甘肅省蘭州市某村莊的河流旁，河道坡度約為3%，平常河道內(nèi)無地表水。最大洪水水位約為2m。該擋土墻總長350m，高約5m。擋土墻墻后填土采用天然級配砂卵石土，分層壓實，壓實度要求不小于90%。墻身采用M10 漿砌片石砌筑而成；墻胸和墻背的坡比均為1∶0.25，墻頂寬1.5m；墻基礎(chǔ)厚度為1m。墻身泄水孔（15cm×15cm）按照梅花形布置，間距2.0m；墻腳泄水孔（30cm×30cm），間距2.0m；此外，墻背后設(shè)厚度為30cm 的碎石反濾層、地面處設(shè)厚50cm的黏土隔水層。擋土墻橫斷面如圖1 所示。

圖1 天然狀態(tài)下?lián)跬翂M斷面示意圖（單位：m）

3 ANSYS 有限元模型分析

3.1 材料參數(shù)

根據(jù)該擋土墻場地的詳細勘察鉆孔資料，得出本次有限元模型擋土墻與土體材料參數(shù)如表1 所示。

表1 擋土墻與土體材料參數(shù)

3.2 本構(gòu)關(guān)系及單元類型

擋土墻結(jié)構(gòu)中的墻體材料為漿砌片石，材料模型選用線彈性模型；土體材料選用理想彈塑性模型（DP 模型），且遵循Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則，土體單元選用八節(jié)點矩形單元，如圖2 所示。

另外，為了能夠更加精確地模擬地基與擋土墻及填土之間的接觸作用，采用ANSYS 軟件中的接觸單元，在填土與擋土墻及地基接觸面處建立面接觸單元。將擋土墻墻體與地基接觸表面看作剛性接觸面，選取Targe169 單元；將填土接觸面看作柔性的接觸面，選取Conta172 單元。接觸單元的形式為面-面接觸，如圖3 所示，圖中，e為偏心距。

圖2 八節(jié)點平面單元示意圖

圖3 接觸面單元示意圖

3.3 模型建立

根據(jù)該實際工程的特點及問題，本文建立高5m，基礎(chǔ)為1m×2m 的二維重力式擋土墻計算模型。

對于此計算模型中的擋土墻，主要考慮土體的位移，故假設(shè)土體側(cè)向及底部處于零位移狀態(tài)，即在任何條件下都不會產(chǎn)生位移。另外，為了優(yōu)化有限元模型的建立并方便計算，只考慮擋土墻自重作用，即只在y方向施加重力作用。模型網(wǎng)格由土體單元、墻體單元以及墻體與土體的接觸面單元組成。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 天然狀態(tài)下結(jié)果分析

圖4a 為擋土墻x向位移云圖，可以看出，擋土墻側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在墻的頂部，為10.2mm；最小位移出現(xiàn)在擋土墻的底部，為0.4mm。其位移沿墻身從墻頂?shù)綁Φ孜灰浦饾u降低，這主要是由于填土及地基土的作用，使擋土墻位移受到約束，從而出現(xiàn)明顯的“水平位移分層”現(xiàn)象。由圖4b 可以看出，擋土墻的y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，為29.2mm；最小y向位移出現(xiàn)在墻踵處，為7.0mm，且沿?fù)跬翂Φ撞坑蓧χ褐翂︴嘀饾u減小，其位移呈現(xiàn)出明顯的“豎向位移分層”現(xiàn)象。

圖4 天然狀態(tài)下?lián)跬翂ξ灰圃茍D

由擋土墻應(yīng)力云圖（見圖5）可知，擋土墻應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻趾板右側(cè)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中x方向最大應(yīng)力達到9.29MPa，y方向最大應(yīng)力為7.44MPa。由圖也可以看出擋土墻局部也出拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力過大，擋土墻可能會出現(xiàn)傾覆破壞。因此，在對擋土墻設(shè)計和施工時，要增加墻趾板的強度以保證擋土墻的抗傾覆能力。

圖5 天然狀態(tài)下?lián)跬翂?yīng)力云圖

4.2 洪水過后結(jié)果分析

對于浸水地區(qū)擋土墻土壓力的計算，除了考慮土壓力以外，還需要考慮水壓力、浮力及水位差對土壓力的影響等。在洪水過后，擋土墻墻前的水位下降，但墻后填土水位并未及時下降，此時墻前后形成水位差。此處為了簡化模型并方便計算，通過在墻背后施加三角形分布的靜水壓力和用浮重度來計算墻后土壓力的方法來模擬洪水過后水位差對擋土墻的影響。

圖6a 為洪水過后擋土墻位移云圖，可以看出，擋土墻x向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻頂，為28.8mm；最小位移出現(xiàn)在擋土墻墻底，為13.3mm。與天然狀態(tài)時的情況相比較，洪水過后，擋土墻位移明顯增大，說明洪水過后，擋土墻發(fā)生破壞的可能性增大。由圖6b 可以看出擋土墻的y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，為62.8mm；最小位移出現(xiàn)在靠近墻踵處，為32.0mm。其位移沿墻底寬度也呈現(xiàn)出明顯的“豎向位移分層”現(xiàn)象。

填土x向最小位移出現(xiàn)在與擋土墻頂部接觸的位置，為3.3mm，且沿?fù)跬翂ι碇饾u增大，從上至下逐漸增大。最大位移出現(xiàn)在墻踵與填土體接觸底部，為10.8mm。填土y向最大位移出現(xiàn)在左側(cè)靠近擋土墻土體上部，為9.5mm。因此，若對擋土墻的位移進行監(jiān)測時，宜選擇墻頂及墻底作為監(jiān)測對象。

圖6 洪水過后擋土墻位移云圖

由擋土墻應(yīng)力云圖（見圖7）可以看出，由于x向受到新增加的靜水壓力作用，x向應(yīng)力出現(xiàn)交大的變化，在擋土墻背應(yīng)力突增，且沿墻踵至墻趾逐漸減小，其最大應(yīng)力為14.38MPa；y向應(yīng)力最大應(yīng)力為9.47MPa，且在墻趾板右側(cè)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會使擋墻在墻趾處出現(xiàn)微小裂縫，降低其承載能力。填土體x向和y向的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在填土體與墻踵接觸的位置。由上述結(jié)論可知在洪水過后，擋土墻墻踵及填土局部強度可能會降低，導(dǎo)致其穩(wěn)定安全系數(shù)下降，所以，設(shè)計、修筑擋土墻時，必須要保證墻底土體的強度，并且提高一定的安全系數(shù)。

圖7 洪水過后擋土墻應(yīng)力云圖

4.3 結(jié)果討論

4.3.1 結(jié)構(gòu)體系位移分析

對天然無水狀態(tài)下和洪水過后2 種不同工況下的擋土墻位移進行比較分析，得出x向沿墻身高度各點位移量及y向沿墻底寬度各點位移量的對比圖（見圖8）。

由圖8 可知，擋土墻x向位移最大值出現(xiàn)在墻頂，y向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處；在降雨及洪水過后，擋土墻在墻前水位降落過程中，墻后水位并未能及時下降，墻面?zhèn)认颉⒇Q向位移都隨之而增大；且在墻身高3m 處出現(xiàn)明顯突變，這是由于洪水入滲后，墻體、填土等吸力降低，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力會減小，墻后填土發(fā)生卸載回彈。另外，洪水及降雨后，墻后填土含水量過大，墻后排水不通暢，導(dǎo)致其總重力增加，墻后土壓力也會急劇增加。

圖8 x、y 向位移對比圖

4.3.2 結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力分析

對天然狀態(tài)下和洪水過后2 種不同工況下的擋土墻應(yīng)力進行比較分析，得出x向沿墻身高度各點應(yīng)力大小及y向沿墻底寬度各點應(yīng)力大小的對比圖（見圖9）。

由圖9a 可知，天然狀態(tài)下x向應(yīng)力最大的地方在擋土墻墻趾位置，沿?fù)跬翂Ρ秤筛叩降蛒方向有效應(yīng)力逐漸增大。但在洪水過后，x向應(yīng)力出現(xiàn)不均勻變換，在墻趾板處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外由圖9b 可知，y方向沿墻底由墻踵到墻趾有效應(yīng)力逐漸減小，這是由于墻踵位置土體受到更大自重力作用。在洪水過后，擋土墻x、y向應(yīng)力都明顯增大，這是由于擋土墻承受水的浮力，擋土墻后水下土體呈飽和狀態(tài)，使強度降低。另外，設(shè)計長期或季節(jié)性浸水的擋土墻時，除了按一般擋土墻考慮所作用的力系，還應(yīng)考慮水對墻后填土及墻身材料的影響，墻體材料在外荷載作用下更容易受拉開裂。隨著降雨入滲，擋土墻及填土內(nèi)摩擦角減小，降低擋墻的抗剪強度，墻后土壓力也會急劇增加。說明隨著內(nèi)摩擦角的減小或墻后填土含水量過大，都不利于擋土墻的穩(wěn)定。

圖9 應(yīng)力對比圖

5 結(jié)論

本文利用ANSYS 對某靠近河道的浸水重力式擋土墻進行數(shù)值模擬，研究分析得出以下結(jié)論：

1）僅在靜荷載作用下，浸水重力式擋土墻側(cè)向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻的墻頂，且沿墻身高度“水平分層”；豎向位移最大值出現(xiàn)在擋土墻墻趾處，且沿墻底寬度“豎直分層”。另外，擋土墻應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻趾板右側(cè)。因此，若對擋土墻的位移進行監(jiān)測時，宜選擇墻頂及墻底作為監(jiān)測對象。

2）在降雨及洪水過后，墻面?zhèn)认蛭灰齐S之而增大。另外，當(dāng)洪水過大時，墻后填土排水不暢，使墻后填土含水量過大，土的抗剪強度降低，墻后土壓力也會急劇增加，降低擋墻穩(wěn)定安全系數(shù)，并使基底應(yīng)力增加。因此，在對擋土墻設(shè)計和施工時，要增加墻踵及墻趾強度以保證擋土墻的穩(wěn)定性。

3）在靠近河道的浸水式擋土墻建設(shè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計，除了考慮土壓力以外，還需要考慮水壓力、浮力和水位差對土壓力的不利影響，提高設(shè)計等級；同時，施工單位也要按照設(shè)計要求嚴(yán)格施工，以免造成工程事故。