长春黄金设计院有限公司 吉林省 130012
摘要：本文主要对高大扶壁式挡土墙墙后土压力特性进行了有限元的数值分析。有限元分析结果表明:扶壁式挡土墙的肋板间隔在很大程度上影响着水平向土压力空间分布，在面板的下部，由于肋板的影响，作用在挡墙上的土压力出现中间大，向两侧逐渐减小的趋势，且肋板间隔越大，产生的影响越小。该类挡墙对填土的水平位移有很好的控制作用，可为扶壁式挡土墙在边坡支护中的大面积推广提供理论支持。
关键词：高大扶壁式；挡土墙；墙后土压力；有限元分析
1、工程实例
工程位于陕西省商洛市镇安县，地貌单元属于剥蚀丘陵地．该地区设防烈度为６度（0.05ｇ），场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组，基本风压为0.35ｋＰａ．本项目为金矿原矿堆场两侧挡土墙，属于重点设防类别；依据GB50011－2010《建筑抗震设计规范》（下文简称《抗规》）规定，其抗震等级为３级．工程左边为单层框架结构配电室，右边为６层框架结构，中间设置100ｍｍ宽的沉降缝，其建筑平面示意图．项目北侧无土，西侧和东侧有逐渐变缓的土坡，南侧土坡较高．左边底层框架计算高度为6.05ｍ；右边底层框架计算高度为6.50ｍ．挡土外墙为250-350ｍｍ厚钢筋混凝土墙，基础埋深范围内无地下水。
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。在挡土墙与地基土和堆料之间设置接触面单元。
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60mm，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，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，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。
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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，最大位移为2．2mm。
3、有限元结果及其成因分析
墙面板后土压力整理计算结果，墙面板后土压力分布云图。从计算结果中取出一跨中间截面的土压力竖向分布值和墙深3m、9m和15m处的土压力横向分布值。
有限元分析结果先随覆土深度的增加而增大，到墙面板底部区域随覆土深度的增加反而略有减小，而朗金公式计算结果是始终随覆土深度的增加而增大。有限元分析结果与姚辉、岳祖润和顾慰慈等学者做的模型试验和工程实测结果趋势上是相同的。从可以看出，随着覆土深度的增大，挡墙肋板的宽度也越来越大，墙面板后不同高度处水平方向土压力分布受肋板的影响也越来越大。在挡土墙的上部，墙面板后水平方向土压力受肋板的影响不大，分布较为均匀；在挡土墙的下部，墙面板后水平方向土压力极大地受到肋板的影响，表现出中部较大，两侧急剧减小，即所谓的“土拱”现象。
成因分析。在土力学领域内，土拱是用来描述应力转移的一种现象，这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而进行的，如地下管道、盾构等结构的应力集中或扩散的现象。在非岩石地层中开挖坑道，坑道周围地层就会产生变形或错动，因而产生应力释放现象，这种应力释放现象实际上是坑道周围应力向临近部分传递的结果，即土拱效应的结果。
高大护壁挡墙中土拱效应存在于挡墙面板后的土体中，在两肋板间的土体其横向和竖向均会表现出一定的土拱效应。肋板间隔布置使肋板后的土体水平变形发展不均匀，产生相对位移，从而以肋板端部为拱脚产生水平方向的土拱效应。由于肋板的存在，肋板间土体与肋板产生相互摩擦，使肋板间土体的水平变形发展也不均匀，从而会以肋板的侧面为拱脚产生水平方向土拱效应。这些土拱的存在，将挡墙面板后土体的很大一部分侧压力传至肋板上，使作用在面板上的土体侧压力大大降低，且远小于经典土压力理论的计算值。此外，随着覆土深度的增加，肋板的宽度越大，位于肋板间的土体也越多，由于土体与肋板间的相互摩擦，面板后土体的竖向变形发展也越不均匀，使竖向土拱效应越来越明显。拱上面土体的一部分重量通过肋板向下传递，从而减小了拱下面土体的垂直压力和水平侧压力，使挡墙底部面板后土压力随覆土深度不再增加，甚至略有减小。
结论
第一，扶壁式挡土墙，对场地要求低，使用的材料少，圬工量小，具有广阔的应用前景，首先随覆盖土层厚度的增加而增大，但到一定深度后，随覆盖土层厚度的增加土压力增大率减小，当覆盖土层厚度增加到一定值后，土压力几乎不再增大；第二，对于某一水平向截面，由于受两侧肋板的影响，作用在立板中央的土压力最大，向两边肋板逐渐减小,肋板间隔对作用在混凝土板上的土压力有较大影响，间隔越大，影响较小；第三，在挡土墙的上部，立板后水平方向土压力受肋板的影响不大，分布较为均匀；随着覆盖土层厚度的增大，两侧肋板的影响逐渐加大，在挡土墙的下部，墙面板后水平方向土压力极大地受到肋板的影响，表现出中部较大，两侧急剧减小，即所谓的“土拱”现象，深度越大，这种现象越明显；第四，扶壁结构肋板间距对作用在立板的水平向土压力分布有较大影响，肋板间距越小，影响越大；第五，伴随墙后填土高度的增加，肋板对土压力分布的影响增大，分布呈“土拱”现象，填土深度越大，“土拱”现象越显著。
参考文献：
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[3]多垠,吴友仁,周世良.高大扶壁式挡土墙墙后土压力特性有限元分析[J].中国港湾建设,2006(02):14-17.
论文作者:赵万里
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：挡土墙论文; 压力论文; 水平论文; 后土论文; 位移论文; 挡墙论文; 有限元论文; 《防护工程》2018年第28期论文;