扶壁式挡土墙有限元分析

朱 进 成

(上海勇创建设发展有限公司，上海 200000)

近年来，我国岩土工程中支挡结构形式不断发展，支挡结构形式也从过去单纯靠重力维持平衡的重力式挡土墙发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚固技术等多种新型、轻型支挡新技术，例如悬臂式、扶壁式等新型挡土墙，由于这些新型挡土墙结构具有结构轻巧、施工快捷、投资少等特点，很快在各类工程中得到了广泛的应用。这类新型挡土墙结构充分利用材料强度，截面轻巧，因此新型挡土墙结构的变形是一个应该引起足够重视的问题，正是由于此原因，相关资料建议悬臂式挡土墙高度不宜大于6 m，扶壁式挡土墙高度不宜大于10 m[1]。

1 工程概况

某水泥厂堆料场采用扶壁式挡土墙结构围成堆场，扶壁式挡土墙结构及墙后堆料关系尺寸见图1，一般扶壁式挡土墙的构造尺寸满足扶壁的间距通常在墙高的1/3～1/2范围内变动，扶壁的厚度约为扶壁间净距的1/8～1/6，但不小于30 cm[2]。本工程中，挡土墙立板厚0.4 m，扶肋厚0.5 m，扶肋间距4.5 m，墙趾板厚1.2 m，宽2.35 m，墙踵板厚1.2 m，宽3.25 m。

由于工程实际的需要，需计算该扶壁式挡土墙的顶部最大位移。尽管扶壁式挡土墙理论研究和实践应用已取得了一定进展，但实际中还是多采用库仑土压力理论求得总的土压力用于扶壁式挡土墙的稳定性和强度计算[3]，而挡土墙位移涉及土体和挡土墙本身的相互作用，在墙后土压力和自重的作用下，既有地基土的变形也有挡土墙本身的变形。本文借助有限元软件对实际工程中的扶壁式挡土墙结构位移进行数值分析，用岩土有限元软件PLAXIS建模进行土结整体分析，计算挡土墙在自身变形及地基土变形的情况下的总变形，同时用结构有限元软件SAP2000计算挡土墙本身在土压力作用下的变形，以指导设计，并供其他同类工程参考。

2 有限元分析

2.1 土结整体分析

为了解挡土墙在墙后堆料产生的主动土压力作用下，地基土和挡土墙自身的总变形，采用PLAXIS岩土有限元软件整体建模分析，考虑到挡土墙结构为平面应变问题，采用平面模型，节省计算时间。

1)土体本构模型、挡土墙土体接触面关系、挡土墙墙体模型。

本次计算模型的选取：土体模型采用软件自带的摩尔库仑模型，挡土墙墙体采用线弹性模型，土体与挡土墙之间的接触面采用双线性的摩尔库仑模型来进行模拟。地基土及墙后堆料采用弹塑性Drucker-Prager准则[4]，地基土及堆料物理力学性质见表1。在挡土墙与地基土和堆料之间设置接触面单元。

表1 材料物理力学性质

有限元网格图见图2，两边法向约束，底部固定约束。

2)计算位移结果。在挡土墙的墙顶、中间及墙角部位分别设1,2,3三个监测点。在墙后堆料的作用下，图3为挡土墙及墙后堆料的变形云图，图4为挡土墙三个监测点的水平位移值。

根据计算结果可以看出：a.由于挡土墙对堆料的约束作用，墙后堆料的最大水平位移发生在墙顶以上一定距离的坡上，而不是坡角处；b.土结整体作用时挡土墙的水平位移顶部最大，底部最小，中间次之，同时顶部水平位移最大值约为60 mm，符合挡土墙达到主动土压力时的位移量(0.001～0.005)h，h为挡土墙的高度[5]，即此时挡土墙后的土压力已达主动土压力。

2.2 挡土墙结构分析

为了了解挡土墙在同样的主动土压力作用下，自身的变形，采用结构有限元软件SAP2000分析挡土墙结构的变形。

2.2.1有限元模型

采用壳单元模拟挡土墙的各个部分[6]，加入水平土压力荷载、竖直土压力荷载、自重，为了使结构计算的结果有比较意义，土压力采用前面PLAXIS软件计算得到的土压力，最后将挡土墙底板采用固定约束，最终建模结果见图5。

2.2.2计算水平位移结果

由于两端挑出部分在实际情况中不出现，不考虑两端挑出部分的较大水平位移，计算最大水平位移出现在挡土墙顶部，计算位移结果如图6所示，最大位移为2.2 mm。

3 计算结果对比分析

根据前面两种情况的模拟计算，发现在满足一般扶壁式挡土墙尺寸要求的前提下，扶壁式挡土墙的刚度是比较大的，其自身的变形只占到总变形量的很小一部分，因此，在设计，扶壁式挡土墙结构在截面尺寸满足一般构造性要求时，扶壁式挡土墙可以视为刚体，可以忽略本身的变形，挡土墙产生的水平位移主要为刚体位移，由地基土产生。因此，在地质条件比较差，而又需要控制变形时，更应该对地质条件进行控制，包括采用预应力锚索控制滑移变形、置换部分地基土、降低挡土墙的高度等等，然而控制挡土墙位移的结果土压力变大，所以在控制挡土墙位移的情况下，应保守的采用静止土压力验算挡土墙的强度及稳定性。

参考文献:

[1] TB 10025—2006,铁路路基支挡结构设计规范[S].

[2] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社，1970.

[3] 交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册 路基[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 顾长存，杨庆刚，张 铮.土工格栅加筋软土路堤的数值分析[J].河海大学学报，2005,33(6):77-81.

[5] 王旭东，梅国雄，宰金珉.被动土压力折减系数的研究[J].工业建筑，2003,33(1):29-31.

[6] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].第2版.北京：水利水电出版社，1998.