交通荷載下扶壁式擋墻受力與變形特性分析

王建輝

（中鐵二十五局集團第一工程有限公司，廣州 510405）

1 引言

伴隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，公路交通運輸量增長迅速。然而，既有公路網(wǎng)絡(luò)已無法適應(yīng)交通運輸需求，迫切需要進行公路改擴建。因此，給公路交通建設(shè)帶來了新的發(fā)展機遇。作為最常見的邊坡支擋構(gòu)筑物，擋土墻在公路改擴建工程中的應(yīng)用亦是愈來愈廣泛。

事實上，擋土墻的發(fā)展已有相當(dāng)長的歷史。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。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對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)場監(jiān)測方法，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，對整個結(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)有研究加深了對扶壁式擋墻力學(xué)性能的認識，豐富了擋土墻計算理論。然而，扶壁式擋墻與墻后土體是一個相互作用系統(tǒng)，二者之間的非線性較強，關(guān)于動荷載作用下扶壁式擋墻力學(xué)行為的認識仍較淺顯。為此，本文以廣東某高速公路改擴建工程中應(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步驟，并且將每個步驟設(shè)置為一定數(shù)量的增量，每一個增量在計算過程中又會迭代一定次數(shù)的增量（見圖2），進而得到一定范圍內(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耦合系統(tǒng)，二者之間的相互作用機理非常復(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)計中應(yīng)特別注意此部位的結(jié)構(gòu)加強。墻后土體的分布基本符合庫倫土壓力理論，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

本文以廣東某高速公路改擴建工程中所采用的扶壁式擋墻為項目依托，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)計與施工提供參考。