交通荷載下扶壁式擋墻受力與變形特性分析

王建輝

（中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司，廣州 510405）

1 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路交通運(yùn)輸量增長(zhǎng)迅速。然而，既有公路網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法適應(yīng)交通運(yùn)輸需求，迫切需要進(jìn)行公路改擴(kuò)建。因此，給公路交通建設(shè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。作為最常見的邊坡支擋構(gòu)筑物，擋土墻在公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用亦是愈來(lái)愈廣泛。

事實(shí)上，擋土墻的發(fā)展已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。作為一種能夠適應(yīng)高邊坡的支擋構(gòu)筑物，扶壁式擋墻（見圖1）在公路工程建設(shè)中的應(yīng)用較為普遍，主要起支撐工程主體，提高工程穩(wěn)定性，保障工程安全的作用。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)扶壁式擋墻開展了大量研究工作[1-7]。其中，張可能等[8]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，研究了扶壁式擋墻的力學(xué)性能及其演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)墻后土壓力的分布符合庫(kù)倫土壓力理論，扶壁的存在可以有限控制墻體結(jié)構(gòu)的位移發(fā)展。然而，在立板、底板與扶壁的連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力不利。邵先鋒[9]等研究了超高扶壁式擋墻的安全隱患評(píng)定方法，提出的鑒定方法為：首先，根據(jù)工程資料制定相應(yīng)的鑒定方案；然后，分析典型界面的內(nèi)力特征；最后，基于內(nèi)力分布規(guī)律提出加固措施。章宏生等[10]基于數(shù)值方法研究了扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性，研究表明，扶壁上部和面板連接位置及扶壁前部和底板連接位置處應(yīng)力較大。

圖1 扶壁式擋墻

雖然，現(xiàn)有研究加深了對(duì)扶壁式擋墻力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)，豐富了擋土墻計(jì)算理論。然而，扶壁式擋墻與墻后土體是一個(gè)相互作用系統(tǒng)，二者之間的非線性較強(qiáng)，關(guān)于動(dòng)荷載作用下扶壁式擋墻力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)仍較淺顯。為此，本文以廣東某高速公路改擴(kuò)建工程中應(yīng)用的扶壁式擋墻為工程背景，基于通用有限元軟件ABAQUS 建立了扶壁式擋墻-土體相互作用三維數(shù)值模型，并以此研究了交通荷載下扶壁式擋墻的受力與變形特性。

2 扶壁式擋墻有限元模型

本文基于通用有限元軟件ABAQUS 建立扶壁式擋墻-土體相互作用數(shù)值模型。ABAQUS 求解非線性問題運(yùn)用了Newton-Raphson 迭代算法。在求解過程中，首先需要將所要求解的問題劃分為若干個(gè)步驟，并且將每個(gè)步驟設(shè)置為一定數(shù)量的增量，每一個(gè)增量在計(jì)算過程中又會(huì)迭代一定次數(shù)的增量（見圖2），進(jìn)而得到一定范圍內(nèi)的近似解。

圖2 迭代過程示意圖

本文建立的扶壁式擋墻與土體相互作用的三維數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 扶壁式擋墻-土體相互作用三維數(shù)值模型

3 交通荷載下扶壁式擋墻受力與變形特性

如前所述，扶壁式擋墻與墻后土體組成了一個(gè)耦合系統(tǒng)，二者之間的相互作用機(jī)理非常復(fù)雜。為分析交通荷載下扶壁式擋墻受力與變形特性，基于所建立的三維數(shù)值模型分別研究了扶壁式擋墻的受力與變形特性。圖4 給出了交通荷載下扶壁式擋墻與墻后土體的最大應(yīng)力分布，圖5 給出了扶壁式擋墻與墻后土體的最大位移分布。

圖4 交通荷載下扶壁式擋墻及墻后土體應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖5 交通荷載下扶壁式擋墻及墻后土體位移分布（單位：mm）

基于數(shù)值結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)扶壁式擋墻的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，扶壁處應(yīng)力較立板和底板更大，且在扶壁與立板及底板連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意此部位的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。墻后土體的分布基本符合庫(kù)倫土壓力理論，靠近擋墻位置處土體應(yīng)力幅值更大。此外，通過位移分布可以看出，扶壁式擋墻靠近扶壁位置處的位移較小，而在遠(yuǎn)離扶壁位置的懸臂端位移較大，土體位移亦在靠近擋墻處更大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣東某高速公路改擴(kuò)建工程中所采用的扶壁式擋墻為項(xiàng)目依托，基于通用有限元軟件ABAQUS 建立了扶壁式擋墻-土體相互作用三維數(shù)值模型，并分析了交通荷載下扶壁式擋墻與墻后填土的受力與變形特性。研究表明：扶壁式擋墻的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，在扶壁與立板及底板連接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；靠近扶壁位置處，擋墻位移較小，反而土體位移則較大。期望本文相關(guān)成果能為扶壁式擋墻設(shè)計(jì)與施工提供參考。