吳佑平， 劉 澤， 方俊杰， 林 瓊

(1.浙江省交通工程建設(shè)集團第三交通工程有限公司， 浙江 杭州 323000；2.湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭 411201)

基于數(shù)值分析的衡重式擋土墻失穩(wěn)模式研究

吳佑平1， 劉 澤2， 方俊杰1， 林 瓊1

(1.浙江省交通工程建設(shè)集團第三交通工程有限公司， 浙江 杭州 323000；2.湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭 411201)

衡重式擋土墻是山區(qū)公路建設(shè)中廣泛使用的支擋結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接影響工程結(jié)構(gòu)的安全性。基于FLAC3D建立了衡重式擋土墻分析模型，采用墻頂超載法和強度折減法研究了衡重式擋墻在路面超載、墻身質(zhì)量薄弱以及地基強度不足時引起病害。研究表明：隨墻頂荷載增加，墻后的水平土壓力增大，擋墻發(fā)生外傾失穩(wěn)時可能伴有墻身拉裂或地基壓縮破壞；當墻身質(zhì)量較差時，墻體剪切帶在擋墻外側(cè)中下部形成，并斜向上發(fā)展，剪切帶位于下墻內(nèi)；當?shù)鼗休d力較低時，擋墻易發(fā)生整體滑移失穩(wěn)，墻內(nèi)存在2條滑裂面。

衡重式擋土墻； 失穩(wěn)； 數(shù)值分析

0 引言

山區(qū)地形起伏大，溝壑縱橫，使得公路建設(shè)時深挖高填現(xiàn)象非常普遍，形成了大量的工程邊坡。為了維護這些邊坡的穩(wěn)定性，擋土墻成為公路沿線最常見的構(gòu)筑物。目前在工程得到應(yīng)用的擋土墻有多種形式，如重力式擋墻、加筋土擋墻、懸臂式擋墻、錨桿擋墻等。由于山嶺地區(qū)石料來源廣、數(shù)量多，且石料的強度較高、抗風化性能較好，重力式擋墻應(yīng)用最為廣泛，其中衡重式擋土墻具有可以利用衡重臺上部填土的重力，使墻體重心后移以抵抗土體側(cè)壓力，使基底應(yīng)力趨于均衡，增加墻身的穩(wěn)定性的優(yōu)點，在高等級公路建設(shè)中得到大量應(yīng)用。

作為一種傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的學者對衡重式擋土墻開展了多方面的研究。劉運濤[1]通過數(shù)值模擬研究列車荷載對衡重式擋土墻土壓力與穩(wěn)定性影響研究；宗全兵[2]、常乃超[3]推導出衡重式擋土墻土壓力計算的數(shù)解公式；陳麗[4]對衡重式擋土墻的抗震性能進行了分析；張家國[5]通過離心模型實驗研究了衡重式檔土墻的受力與變形特性；陸陽[6]還對路基衡重式擋墻開展了現(xiàn)場監(jiān)測；鄒新軍等[7-10]開展了衡重式擋土墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，這些研究對衡重式擋墻的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。衡重式擋墻優(yōu)點明顯，但在實際工程中病害也很常見。本文結(jié)合浙江省交通科技項目(2013H27 — 4)的研究，對衡重式擋土墻的失穩(wěn)模型進行了數(shù)值分析，為公路擋土墻的設(shè)計與維護提供指導。

1 分析方法與建模

研究以330國道改擴建工程為背景，采用美國ITAS咨詢公司開發(fā)的有限差分法軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型。

330國道蓮都至縉云段是麗水市境內(nèi)交通最繁忙的路段之一，因路面窄、彎急、坡陡、視距不良等行車危險路段較多，使得道路服務(wù)水平較低，擁堵現(xiàn)象時有發(fā)生，不能滿足社會發(fā)展的需要，急需進行改建擴容。原330國道的路基支擋結(jié)構(gòu)一般為干砌片石擋墻，改擴建后擬采用衡重式漿砌片石擋墻，并根據(jù)不同路段條件設(shè)計院給出了通用圖(圖1)。為使研究具有代表性，這里取墻高為10 m的擋墻為原型，建立如圖2所示的數(shù)值分析模型，模型寬24 m，高20 m，沿線路方向取1 m。模型包括衡重式擋墻、墻后填土及地基三部分，地基和墻后填土采用莫爾-庫侖模型，擋墻采用彈性模型，各部分的參數(shù)見表1。計算時，模型底部固定并約束模型左右兩側(cè)面沿x向的位移和模型前后兩側(cè)面沿y方向的位移。

圖1 衡重式擋土墻斷面設(shè)計圖(單位： cm)

圖2 計算模型

表1 巖土體的力學參數(shù)材料本構(gòu)模型密度/(kg·m-3)體積模量/kPa剪切模量/kPa粘聚力/kPa摩擦角/(°)擋墻彈性270082×104516×104填料莫爾—庫侖1900294×104113×1042521地基莫爾—庫侖210073×10428×1042835

2 衡重式擋土墻的結(jié)構(gòu)特性分析

建立模型后先進行自重平衡，然后在墻頂施工10 kN/m的均布荷載。由于衡重式擋墻的剛度很大，擋墻的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布比較均勻。其側(cè)向和豎向變形均比較小，呈墻頂大墻底小的外傾式。圖3為擋墻墻后側(cè)向土壓力沿墻高的分布曲線。可見，土壓力分布以衡重臺為界，上墻壓力很小，下墻壓力較大，且呈非線性分布，這種分布結(jié)果已為許多工程實測所證實。

圖3 擋墻的土壓力分布

3 衡重式擋土墻的失穩(wěn)模式研究

3.1 墻頂超載引起的擋墻失穩(wěn)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，行駛在路面的超長超重車輛越來越多，使墻頂超載越來越大，不僅對路面有重要影響，也直接影響到路基與支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為分析墻頂超載對擋土墻的影響，可通過荷載增量法(每級荷載增加10 kPa)逐漸增加墻頂荷載直至擋墻失穩(wěn)(計算不收斂)。計算獲得的數(shù)據(jù)很多，為了減少篇幅，僅取墻頂荷載為50、100、200、300 kPa時的計算結(jié)果進行分析。

圖4為各級荷載作用下?lián)鯄推浜笸馏w的水平應(yīng)力分布云圖。隨著墻頂荷載增加，墻后的水平土壓力增大，并逐漸形成2個應(yīng)力集中區(qū)：一是在墻趾下方形成一個壓應(yīng)力集中區(qū)，二是上下墻相接處形成一個拉應(yīng)力區(qū)。若墻身質(zhì)量較差或地基承載力較低時，在墻頂超載作用下?lián)鯄Πl(fā)生外傾失穩(wěn)時可能伴隨有墻身拉裂或地基壓縮破壞，將加速擋墻破壞失穩(wěn)。

圖5為各級荷載作用下?lián)鯄推浜笸馏w的豎向應(yīng)力分布云圖。分析可知，當墻頂荷載較小(<50 kPa)時，墻后豎向土壓力分布較均勻，隨荷載增大，擋墻外傾，下墻內(nèi)側(cè)有遠離土體的趨勢，使得下墻內(nèi)側(cè)附近的豎向應(yīng)力并不隨墻頂荷載的增加而增大，形成一個低應(yīng)力區(qū)。另一方面，隨荷載增大，擋墻外傾，墻趾對地基土體的擠壓作用加劇，在墻趾下方逐漸形成一個高應(yīng)力區(qū)。

圖6為各級荷載作用下?lián)鯄推浜笸馏w的剪應(yīng)力增量分布云圖。隨著荷載增加，剪切帶首先在上墻內(nèi)側(cè)形成，逐漸向下發(fā)展，在墻后填土區(qū)內(nèi)形成一個三角形破裂體，同時墻趾下方也形成了一個高剪應(yīng)變增量區(qū)，逐漸向上發(fā)展，與三角形破裂體的剪切帶相貫通。

a)50 kPa

b)100 kPa

c)200 kPa

d) 300 kPa

a)50 kPa

b)100 kPa

c)200 kPa

d) 300 kPa

a)50 kPa

b)100 kPa

c)200 kPa

d) 300 kPa

圖7為各級荷載作用下?lián)鯄λ阶冃窝貕Ω叩姆植记€。隨著荷載增大，擋墻的側(cè)向變形增加，變形基本上都是外傾式，即墻頂大、墻趾處小但并非為零，擋墻的變形既有繞墻趾轉(zhuǎn)動的分量，也有整體平移分量，以轉(zhuǎn)動為主。

圖8為各級荷載作用下?lián)鯄?cè)向土壓力沿墻高的分布曲線。墻后土壓力的分布以減重臺位置為界，上墻土壓力隨荷載增加而增大，當荷載小于200 kPa時，上墻土壓力基本上沿墻高均勻分布，當荷載大于200 kPa后，上墻下部的土壓力增長較快，而上部基本上不變，總體上為上部小、下部大；下墻土壓力在減重臺處出現(xiàn)集中現(xiàn)象，然后迅速減小，再隨墻高的降低而增大。

圖7 各級荷載作用下?lián)鯄Φ膫?cè)向變形分布曲線

圖8 擋墻側(cè)向土壓力與荷載的關(guān)系

3.2 墻體質(zhì)量薄弱引起的墻體破壞失穩(wěn)

當墻體施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求時，墻體一般應(yīng)具有足夠的抗剪強度。但實際工程中，由于重力式擋墻圬工多、工藝性強，使得工人勞動強度極大。因此，漿砌擋土墻座漿率不高、空洞多、塊石搭砌不合理的現(xiàn)象非常普遍。這時擋墻墻身整體性較差，依靠塊石間的咬合摩擦作用保持穩(wěn)定，更適合采用莫爾-庫侖準則模擬，也可以采用強度折減法研究墻身的破壞規(guī)律。

將模型中擋墻的本構(gòu)關(guān)系替換為莫爾-庫侖準則。采用強度折減法對墻體材料進行折減，當折減系數(shù)為14.146時，墻體達到極限狀態(tài)。圖9為極限狀態(tài)下墻身部分的剪應(yīng)變增量云圖。可見，剪切帶首先在擋墻外側(cè)中下部形成，并斜向上發(fā)展，剪切帶主要位于下墻內(nèi)。

圖9 極限狀態(tài)下墻身的剪應(yīng)變增量云圖

圖10為極限狀態(tài)下墻身的應(yīng)力分布云圖。分析可知，擋墻的應(yīng)力分布與剪切帶位置有明顯關(guān)系，以剪切帶為界，上部墻體兩個方向的應(yīng)力均出現(xiàn)急劇減小。

a) 水平應(yīng)力b)豎向應(yīng)力 圖10 極限狀態(tài)下墻身的應(yīng)力分布云圖

3.3 地基強度不足引起的失穩(wěn)

造成擋墻整體滑移失穩(wěn)的主要原因是地基承載力較低，可通過強度折減法使擋墻達到極限狀態(tài)。當折減系數(shù)為1.83時，模型擋墻達到極限狀態(tài)。

圖11為極限狀態(tài)下?lián)鯄Φ募魬?yīng)變增量云圖。最大剪應(yīng)變增量出現(xiàn)在墻趾前方2 m處，整個滑裂面可以看作兩部分：一條是從墻趾前方發(fā)育，過墻踵再向填土區(qū)發(fā)展的曲線型滑裂面；第二條是沿上墻墻背，經(jīng)減重臺再向下發(fā)展的滑裂面，2條滑裂面在擋墻下墻墻后填土內(nèi)交匯。

圖12為極限狀態(tài)下?lián)鯄?yīng)力分布云圖?？梢?，因地基強度不足而處于極限狀態(tài)時，擋墻的水平應(yīng)力(圖12a)在墻趾下方、減重臺附近和下墻中下部附近等處都出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，豎向土壓力(圖12b)在下墻后也出現(xiàn)增大，這將進一步加速地基破壞，造成擋墻和路基失穩(wěn)。

圖11 極限狀態(tài)下?lián)鯄魬?yīng)變增量云圖

a) 水平應(yīng)力b)豎向應(yīng)力 圖12 極限狀態(tài)下模型的應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

1) 在墻頂超載作用下，隨著墻頂荷載增加，墻后的水平土壓力增大，并在墻趾下方和上下墻相接處各形成一個壓應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)集中區(qū)，使擋墻發(fā)生外傾失穩(wěn)時可能伴隨有墻身拉裂或地基壓縮破壞。

2) 當墻身質(zhì)量較差時，剪切帶首先在擋墻外側(cè)中下部形成，并斜向上發(fā)展，剪切帶主要位于下墻內(nèi)。

3) 當?shù)鼗休d力較低時，擋墻易發(fā)生整體滑移失穩(wěn)，墻內(nèi)滑裂面可分為兩部分：一是從墻趾前方發(fā)育，過墻踵再向填土區(qū)發(fā)展的曲線型滑裂面；二是沿上墻墻背，經(jīng)減重臺再向下發(fā)展的滑裂面，2條滑裂面在擋墻下墻墻后填土內(nèi)交匯。

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