基于數(shù)值分析不同填料下扶壁式擋墻土壓力研究

吳帥

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074)

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基于數(shù)值分析不同填料下扶壁式擋墻土壓力研究

吳帥

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074)

摘要：不同填土情況下，運(yùn)用Flac3D數(shù)值軟件模擬了扶壁式擋墻側(cè)向土壓力分布情況，重點(diǎn)分析了砂土、黏土、多年凍土作為填料對(duì)側(cè)向土壓力分布的影響。結(jié)果表明：當(dāng)砂土φ>30°，作用于墻背上的側(cè)向土壓力將達(dá)到穩(wěn)定；黏性填土φ值在15°～25°變化時(shí)，側(cè)向土壓力先變小后變大，并趨于穩(wěn)定，當(dāng)c>20 kPa時(shí)，墻背側(cè)向土壓力趨于穩(wěn)定；多年凍土由于黏聚力大，改變?chǔ)?、c，側(cè)向土壓力沒有明顯變化。另外，側(cè)向土壓力沿墻高緩慢增加，在底部出現(xiàn)回彎，與規(guī)范理論計(jì)算呈線性變化不一致，這主要是由于擋墻墻背、扶壁與填土的摩擦減壓作用使計(jì)算結(jié)果小于理論值，作用于墻背上的側(cè)向土壓力比理論計(jì)算主動(dòng)土壓力小40%左右。

關(guān)鍵詞：Flac3D；數(shù)值模擬；側(cè)向土壓力；扶壁，砂土；黏土

0引言

土壓力是填土與支擋結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，計(jì)算土體作用于結(jié)構(gòu)上的作用力。這是一個(gè)古老的課題，時(shí)至今日，對(duì)土壓力的研究依然在繼續(xù)，其大小不僅僅與擋土墻的高度、填土的性質(zhì)、擋土墻的剛度和位移有關(guān)[1]。土壓力理論的研究可以歸納為2種：一是基于極限平衡理論；二是基于半數(shù)值半解析方法。傳統(tǒng)理論(如庫倫、朗肯理論)是在極限狀態(tài)下計(jì)算土壓力，而實(shí)際上擋墻并沒有達(dá)到極限狀態(tài)，因此真實(shí)的土壓力與傳統(tǒng)理論計(jì)算所得的土壓力存在差異。有限元法是半數(shù)值半解析的一個(gè)分支，從Clough和Woodward首先采用有限元法分析土壩問題以來，有限元法在巖土工程中的應(yīng)用發(fā)展迅速，并取得了巨大突破。董正筑、黃平[2]分析了P Gussmann提出的滑移單元法，并采用有限元離散化，利用最優(yōu)化過程求得剛性擋土墻側(cè)土壓力的最佳上限解。陳頁開[3]通過模型試驗(yàn)和數(shù)值分析得出，作用在擋墻上的土壓力分布與墻體變位模式有關(guān)。章瑞文[4]通過對(duì)擋墻主動(dòng)土壓力逐層漸進(jìn)法的研究，對(duì)墻面摩擦角、滑裂面摩擦角隨墻高變化的問題提出了解決方法，研究結(jié)果表明擋墻土壓力分布呈非線性，且變滑裂面為一曲面。為了研究不同填料變形協(xié)調(diào)情況下，土壓力隨擋墻深度的分布規(guī)律，本文運(yùn)用Flac3D數(shù)值分析軟件模擬了扶壁式支擋結(jié)構(gòu)在不同填料下的土壓力分布情況，并分析出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，以尋求不同填料作用下的土壓力分布規(guī)律。

1Flac3D數(shù)值模擬分析

1.1計(jì)算模型

由于扶壁式擋土墻的縱橫比在一般情況下很大，可認(rèn)為縱向的變形為0，因此可簡化為平面應(yīng)變問題。在建立分析模型時(shí)，墻后填土與擋墻地基定義為實(shí)體單元，采用剛性基礎(chǔ)，模型縱向長度5.2 m，擋墻結(jié)構(gòu)如圖1，數(shù)值分析模型見圖2。

圖1　擋墻結(jié)構(gòu)

圖2　數(shù)值分析模型

1.2本構(gòu)模型

由于土和鋼筋混凝土的變形模量存在較大差異，為了提高分析的可靠性，使其與實(shí)際情況相吻合，需要在擋土墻結(jié)構(gòu)和土的界面上設(shè)置接觸面。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則較為符合巖土和混凝土材料的屈服和破壞特征，故采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，本文采用彈塑性模型。在塑性屈服以前服從彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，塑性屈服以后，應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽糠膹椝苄员緲?gòu)關(guān)系[5-6]。

1.3邊界條件

如圖2所示，長度方向?yàn)閄向，縱向?yàn)閅向，高度方向?yàn)閆向，在模型的最左邊和最右邊施加X向的約束，縱向兩端端面施加Y向約束，模型底面施加X、Y、Z三方向約束。

1.4荷載類型

在擋土墻有限元分析范圍內(nèi)，除了考慮重力荷載的作用外(墻面風(fēng)荷載可以不考慮，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大)，豎直方向上有大小為10 kPa的力作用于填土，如圖2所示。

1.5材料參數(shù)

不同地區(qū)的填土性質(zhì)不同，為了盡可能與實(shí)際工程情況相吻合，參考國內(nèi)外已經(jīng)完成的工程，本文中的墻后填料分為3類，即砂土、黏土和多年凍土，擋墻地基設(shè)為剛性。詳細(xì)材料參數(shù)如表1。

表1　材料物理力學(xué)參數(shù)

2計(jì)算結(jié)果分析

土壓力與墻后填料、擋墻本身和地基密切相關(guān)。本文采用有限元法，通過Flac3D數(shù)值分析軟件，模擬分析了不同性質(zhì)的填土作用下墻背的受力情況[7-11]。

2.1墻背側(cè)向土壓力

改變填料的參數(shù)，在擋墻高度方向上，選取若干點(diǎn)監(jiān)測側(cè)向土壓力的變化，將監(jiān)測結(jié)果繪成曲線圖。監(jiān)測結(jié)果分為2類，一類是墻背側(cè)向土壓力，一類是垂直于扶壁的土壓力，扶壁沿深度監(jiān)測(深度3 m處開始)。側(cè)向土壓力分布情況如圖3～6。

圖3　砂土墻背側(cè)向土壓力

圖4　黏性土c=5 kPa時(shí)墻背側(cè)向土壓力

圖5　黏性土φ值相同時(shí)墻背側(cè)向土壓力

圖6　多年凍土墻背側(cè)向土壓力

土壓力數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析：

1)當(dāng)填土為砂土?xí)r，如圖3所示，墻背側(cè)向土壓力呈非線性分布，底部側(cè)向土壓力增量逐漸變小，并出現(xiàn)回彎。當(dāng)φ=20°時(shí)，墻背側(cè)向土壓力沿墻深度緩慢增加，側(cè)向土壓力呈近似直線分布，下部側(cè)向土壓力呈非線性分布，在靠近底部的位置出現(xiàn)了回彎現(xiàn)象；當(dāng)φ=30°、φ=40°時(shí)，側(cè)向土壓力曲線呈非線性分布，在深度2 m位置處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，墻底側(cè)向土壓力與φ=20°時(shí)類似。因此，當(dāng)填料為砂土?xí)r，隨著內(nèi)摩擦角的增大，側(cè)向土壓力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，砂土φ>30°時(shí)，側(cè)向土壓力變化不明顯，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)當(dāng)填土為黏性土?xí)r，如圖4所示。當(dāng)c=5 kPa，在φ值變化時(shí)，墻背側(cè)向土壓力呈非線性分布，沿墻深度方向逐漸增加，靠近墻底部側(cè)向土壓力逐漸減小并出現(xiàn)回彎。φ=15°、φ=25°時(shí)，墻背側(cè)向土壓力曲線重合，當(dāng)黏土內(nèi)摩擦角在15°～25°之間變化時(shí)，墻背側(cè)向土壓力先變小后變大，最后與φ=15°時(shí)重合，可認(rèn)為當(dāng)φ>25°時(shí)，墻背側(cè)向土壓力基本達(dá)到穩(wěn)定。繼續(xù)增加φ值，側(cè)向土壓力沒有明顯的變化。

3)當(dāng)填土為黏性土?xí)r，φ值一定，改變c值的大小，如圖5所示。當(dāng)黏性填土c>15 kPa時(shí)，墻背側(cè)向土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，c=20 kPa時(shí)，墻背側(cè)向土壓力基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4)當(dāng)填料為多年凍土?xí)r，如圖6所示，作用于墻背上的側(cè)向土壓力沒有變化。當(dāng)填土黏聚力增大到一定數(shù)值是時(shí)，改變?chǔ)罩?，繼續(xù)增大黏聚力，對(duì)側(cè)向土壓力的大小沒有影響。

以上4點(diǎn)與傳統(tǒng)理論反映的土壓力分布規(guī)律不一致，其原因可能是擋墻墻背與填土之間、扶壁與填土之間的摩擦作用(理論計(jì)算未考慮摩擦作用)抑制了土壓力向下的傳遞，從而出現(xiàn)回彎現(xiàn)象。另外，經(jīng)典計(jì)算中填土破壞面是一平面，但擋墻實(shí)際的破裂面為曲面，因此計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)理論存在差異。當(dāng)填料為砂土?xí)r，墻背側(cè)向土壓力呈非線性分布，靠近底部的側(cè)向土壓力增量逐漸變小并出現(xiàn)回彎現(xiàn)象，當(dāng)φ>30°時(shí)，側(cè)向土壓力趨于穩(wěn)定；當(dāng)填料為黏土?xí)r，側(cè)向土壓力沿墻深度方向非線性逐漸增大，靠近底部的側(cè)向土壓力減小，并出現(xiàn)回彎現(xiàn)象，當(dāng)c>20 kPa時(shí)，墻背上的側(cè)向土壓力趨于相等；當(dāng)填土是多年凍土?xí)r，由于黏聚力足夠大，因此改變?chǔ)?、c，作用于墻背上的側(cè)向土壓力不發(fā)生變化[12-16]。

2.2垂直扶壁土壓力分析

不同填土對(duì)扶壁式擋墻中扶壁肋板的側(cè)向壓應(yīng)力如圖7～9所示。

圖7　砂土垂直扶壁土壓力

圖8　黏土垂直扶壁土壓力

圖9　多年凍土垂直扶壁土壓力

從數(shù)值分析結(jié)果中提取了垂直于扶壁的土壓力，圖7、圖8分別為砂土和黏土的土壓力，圖9為多年凍土的土壓力，在3～5 m范圍內(nèi)，砂土與黏土變化規(guī)律相似，土壓力緩慢增加，多年凍土垂直于扶壁的土壓力在22 kPa左右。填料為砂土?xí)r，側(cè)向土壓力呈非線性變化，當(dāng)φ>30°時(shí)，側(cè)向土壓力變化不大，基本穩(wěn)定，墻背側(cè)向土壓力增加趨勢緩慢，曲線基本重合。當(dāng)黏土內(nèi)摩擦角在15°～25°之間變化時(shí)，墻背側(cè)向土壓力先變小后變大，最后與φ=15°時(shí)重合，可認(rèn)為當(dāng)φ>25°時(shí)，墻背側(cè)向土壓力趨于穩(wěn)定；黏土c>15 kPa時(shí)，墻背側(cè)向土壓力逐漸趨于穩(wěn)定，c=20 kPa時(shí)，墻背側(cè)向土壓力曲線趨勢相同，基本重合。填土為多年凍土?xí)r，改變?chǔ)?、c的大小，作用于墻背上的側(cè)向土壓力不發(fā)生變化，垂直于扶壁的土壓力與側(cè)向土壓力的規(guī)律類似。另外，由于垂直扶壁的土壓力作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮扶壁的抗剪、抗彎能力。

2.3經(jīng)典理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

本文對(duì)砂土、黏土理論側(cè)向土壓力和數(shù)值模擬計(jì)算所得的側(cè)向土壓力進(jìn)行了對(duì)比，如圖10。數(shù)值計(jì)算的側(cè)向土壓力明顯小于理論計(jì)算的側(cè)向土壓力，分析原因?yàn)椋悍霰趽鯄χ写嬖诜霰诶甙?，由于肋板及墻后填土和擋墻立板的摩擦作用產(chǎn)生減壓效應(yīng)，使數(shù)值計(jì)算的結(jié)果小于理論計(jì)算結(jié)果。從數(shù)值分析的結(jié)果可知，砂土側(cè)向土壓力相比理論計(jì)算結(jié)果減小40%，減壓效果非常明顯，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)該充分考慮填土與擋墻結(jié)構(gòu)之間的摩擦減壓效應(yīng)。

圖10　經(jīng)典理論與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3結(jié)論

1)在支擋結(jié)構(gòu)中，砂土φ>30°時(shí)，墻背側(cè)向土壓力變化不明顯，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；填料為黏性土?xí)r，φ值不變，改變c值的大小，當(dāng)c>15 kPa，墻背側(cè)向土壓力基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)對(duì)于填土黏聚力達(dá)到一定數(shù)量級(jí)時(shí)，如多年凍土，改變填料的內(nèi)摩擦角、黏聚力對(duì)擋墻受到的側(cè)向土壓力沒有影響。

3)數(shù)值計(jì)算所得砂土、黏土的側(cè)向土壓力，比理論計(jì)算值減小40%左右。這主要是由填料與擋墻結(jié)構(gòu)(扶壁肋板、立板)之間的摩擦減壓效應(yīng)引起的，在設(shè)計(jì)計(jì)算中要考慮其摩擦效應(yīng)。另外，有垂直作用在扶壁上的力，設(shè)計(jì)中要充分考慮扶壁的抗彎、抗剪性能。

4)數(shù)值分析結(jié)果供參考使用，有待進(jìn)一步在實(shí)際工程中驗(yàn)證[17]。

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責(zé)任編輯：唐海燕

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.004

收稿日期：2016- 03-30

作者簡介：吳帥(1990—)，男，碩士研究生。

中圖分類號(hào)：TU432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)03- 0013- 05

Earth Pressure of Counterfort Retaining Wall with Different Fillings Based on the Numerical Analysis

WU Shuai

(School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

Abstract：Lateral earth pressure distribution of counterfort retaining wall with different fillings was simulated on numerical software FLac3D with focus on the lateral earth pressure distribution with sand,clay and permafrost fillings.Results show that for sand,when φ>30 degrees,lateral earth pressure exerted on the retaining wall in the horizontal direction tends to be stable;for clay,when φ is between 15 and 25 degrees,lateral earth pressure first decreases,then increases,and keeps stable with c>20 kPa;for permafrost,due to its high cohesion,any change in φ and c causes no significant change in lateral earth pressure.In addition,lateral earth pressure slowly grows along the wall height with bending appearing at the bottom of the back,which is inconsistent with the linear change by the normative theoretical computing.This is mainly due to the pressure-decreasing friction between the retaining wall and fillings,which causes the calculation results less than the theoretical value:lateral earth pressure exerted on the counterfort retaining wall in the horizontal direction is about 40% less than the classical active earth pressure.

Key words：Flac3D;numerical simulation;lateral earth pressure;counterfort;sand;clay