陜北地區第四系風積沙擋土結構物受力研究

李瑞強

（安徽理工大學能源與安全學院,安徽 淮南 232001）

在土木、水利工程實踐過程中，為了維持建設場地地基的穩定性，研究地基土與擋土結構物接觸面的力學特性是一個重要課題[1]。由于擋土結構物與地基土之間的變形模量差距較大，位于第四系風積沙地基中的擋土結構物，其基底接觸面的受力狀態將影響擋土結構物的抗滑能力[2]。所以，本文將采用數值模擬法，對陜北地區第四系風積沙地基中的擋土結構物進行受力分析，有利于陜北地區面對第四系風積沙構筑擋土結構物時，采取相應工程措施以提高擋土結構物建造水準，并提高擋土結構物抗滑穩定性。

2 研究方案

有限元法的突出優點是適用于處理非線性、非勻質和復雜邊界等問題，而土體應力變形分析中恰恰存在這些困難問題。有限元方法的應用，能比較好地解決這些困難，在擋土結構物受力理論分析中開辟了新的途徑。

利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土體的應力和變形，這些單元體只在結點處有力的聯系。一般材料應力-應變關系可表示為：

利用有限單元法，可考慮土的非線性應力-應變關系，求得每一個計算單元的應力及變形后，便可根據不同強度指標確定破壞區的位置及破壞范圍的擴展情況。若設法將局部破壞與整體破壞相聯系起來，找到合適的臨界滑面位置，再根據力的平衡關系推得安全系數，這樣，就能將穩定問題與盈利分析結合起來。或者求出在各種工作狀態下擋土結構物的應力分布狀況，由地基土的性質確定一個破壞標準，以此來衡量擋土結構物的安全程度[3]。

土體的應急-應變關系是非線性的，反映到上式（1）中，矩陣[D]就不是常量，而是隨著應力或者應變的變化而變化。

土體在英吉利作用下產生的變形一般是非線性的，在各種應力狀態下都有塑性變形；土體在受力后有明顯的塑性體積變形，而且在剪切時也會引起塑性體積變形（剪脹性）；土體受剪時發生剪應變，其中一部分為彈性剪應變，另一部分與土顆粒間相對錯動滑移而產生塑性剪應變，剪應力引起剪應變，體積應力也會引起剪應變；土體還表現出硬化和軟化特性，應力路徑和應力歷史對變形有影響，中主應力和固結壓力對變形也有影響，而且表現出各向異性。一般根據土的變形特性建立土的本構模型。

3 結果與分析

3.1 擋土墻簡化模型的建立

由于陜北地區較為干燥，土體含水率較低，基本可看作砂土，根據實際情況簡化的模型示意圖如圖1所示。

圖1 模型簡化圖

為簡化分析過程，需要對模型做出以下幾個基本假設：

土體為各項同性的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb強度準則；

各土層均為水平分布；

擋土墻結構為混凝土材料澆筑，認為是各項同性的彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb強度準則。模型材料參數如表1所示。

表1 材料參數

Flac 3D模型如圖2所示。擋土結構為截面為梯形的壩體結構，其中截面下底為5 m，上底為3 m，高為10 m，壩體長10 m。砂土體與混凝土壩體相接，底部長度為10 m，高度為7 m，寬度為10 m。

圖2 Flac 3D模型

3.2 擋土墻受力穩定性分析

為模擬擋土墻受力情況，分別將壩體和砂土結構賦值，其參數如表1所示。假設二者均為各向同性的均質，利用Mohr-Coulomb準則計算二者在重力下的位移、應力和應變分布情況。

（1）擋土墻位移情況

根據計算結果繪制擋土墻和砂土模型的位移云圖如圖3所示。

圖3 模型位移云圖

如圖3所示，由于擋土墻結構彈性模量及剛度較大，其位移量遠遠小于砂土模型，砂土模型的位移分布基本呈現層狀分布，但在與擋土墻接觸部分，其位移較同一層位的砂土有所減少，其云圖等值線出現上移，這是因為擋土結構的存在阻擋了砂土的位移。

隨著深度加深，砂土的位移量逐漸減小，最大位移出現在砂土結構表面，為1.085 5 cm，其底部位移幾乎為0。擋土墻結構最大位移出現在頂部遠離砂土的一側，為0.2 mm，遠遠小于砂土位移。

（2）擋土墻應力情況

根據計算結果繪制擋土墻和砂土模型的應力云圖如圖4所示。

如圖4所示，隨著結構深度的加深，應力越來越大，由于砂土為松散體，其應力分布較均勻，基本呈現均布分布，擋土墻結構底部出現部分應力集中現象，其底部邊角處應力值最大，達到0.36 MPa。

圖4 模型應力云圖

（3）擋土墻應變情況

根據計算結果繪制擋土墻和砂土模型的應變云圖如圖5所示。

圖5 模型應變云圖

如圖5所示，模型的主要應變集中在擋土結構與砂土結構接觸面，呈現狹長分布，隨著深度的加深，其應變值有所減少，最大值出現在接觸面頂端，達到1.35×10-2，但這部分應變主要出現在砂土結構內，砂土結構在與擋土墻接觸后，其砂土顆粒與擋土墻結構產生摩擦，在重力作用下產生較大的位移，導致其應變量隨之增大，由于擋土墻結構的內聚力和彈性模量較大，使其具有了較大的剛度，導致其應變較小，具有較好的穩定性。

4 結論

本文對擋土墻結構的受力特性進行了理論分析，并借助Flac 3D數值模擬軟件，以陜北地區第四系風積沙擋土結構物材料特性為基礎，對其位移云圖、應力云圖、應變云圖進行了分析，得到主要結論如下。

利用有限元的思想可對擋土結構受力情況進行單獨分析，并通過迭代算法，計算出結構物的受力情況。

對擋土墻結構進行數值模擬，通過分析其位移、應力、應變云圖可發現，其位移主要發生在砂土結構內，且位移量隨深度增加而增加。

砂土中的應力分布較為均勻，但擋土結構內出現應力集中，在其底部應力集中現象較為嚴重。

其應變主要發生在擋土結構與砂土的接觸面上，由于砂土內聚力較小，其應變主要發生在砂土結構內。