懸臂式擋土墻中凸榫的作用分析★

李衛國 邵先鋒 汪東林

(1.國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230071; 2.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601)

懸臂式擋土墻是工程中常用的一種擋土墻型式，一般由立臂式面板、墻趾板、墻踵板三部分組成，依靠底板上部填土與墻身的自重來維持擋土墻的安全與穩定[1,2]。通常可在擋土墻底部加設抵抗滑動的凸榫(或稱齒坎)，用以提高擋土墻的抗滑系數。如位于崇福鎮的杭申線河道改線工程中，擋土墻底部采用凸榫進行了改進，提高了擋土墻的穩定性、減小了擋土墻位移，降低了工程造價[3]。屠毓敏與余亞南通過試驗研究表明：盡管凸榫較短，但其對擋土結構物的抗滑作用較大[4-6]。盡管工程實踐中能體會到凸榫對提高擋土墻的抗滑穩定性有作用，但現行相關計算理論與計算方法中，無法定量的考察凸榫的作用，僅把凸榫視為一種有益的構造措施。為此，本文基于有限元方法，對前凸榫、后凸榫的作用進行了分析，考察了凸榫式擋土結構物與墻后填土共同作用下的抗滑特征，為合理考慮凸榫的作用提供參考。

1 數值計算模型

按照相關規范，懸臂式擋土墻的高度一般不宜超過6 m；當懸臂式擋土墻的高度大于4 m時，宜在墻面板前加肋。可在底板設置凸榫用來提高擋土墻的整體穩定性。

現針對某一設有凸榫的懸臂式擋土墻進行穩定性分析。該擋土墻墻趾板、墻踵板、立臂的厚度均為0.50 m，墻踵板寬度為1.50 m，墻趾板寬度1.00 m，填土的高度為3.5 m。凸榫寬度為0.5 m，前凸榫高度，后凸榫高度見圖1。

可把擋土墻視為平面應變問題進行分析。填土與地基土層采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型；擋土墻按線彈性材料模擬。地基土Ⅰ的厚度為3 m，擋土墻的底板坐落在地基土Ⅰ中，各土層的計算參數見表1。

為了消除邊界條件對有限元數值計算的影響，可把計算范圍取大些。數值計算的邊界條件為：計算邊界兩側的水平位移為0，底部邊界的水平位移與豎向位移均為0。采用三角形單元對計算區域進行網格剖分，h1=0.5 m，h2=0 m情況下的網格剖分情況如圖2所示。

表1 各土層計算參數

通常，填方工程中擋土墻先行施工后續再填土，故可認為擋土墻的固結變形在填土施工時已完成。有限元計算時可通過激活填土計算單元模擬填土施工的開展。

有限元計算方法中，采用對土體強度參數進行同步折減的方法來計算擋土墻的穩定性[7]，已有大量文獻表明[8,9]該方法分析擋土墻的穩定性具有較高的精度。

2 計算結果分析

基于有限元方法，對前凸榫、后凸榫的不同長度取值進行變換對比計算，得到了各種工況的滑裂面位置及位移增量分布情況，如圖3，圖4所示。各種工況下的擋土墻安全系數Fs見表2。

表2 凸榫布置方式對擋土墻穩定性的影響

由分析可知，擋土墻無凸榫時(h1=h2=0 m)的安全系數Fs=1.362，擋土墻底板設置凸榫后穩定性均有大幅度的增加，說明設置凸榫對提高擋土墻安全性具有明顯的作用。

當僅設置前凸榫時，凸榫長度為1.0 m時的安全系數比凸榫長度為0.5 m時的安全系數增加7.1%；當僅設置后凸榫時，凸榫長度為1.0 m時的安全系數比凸榫長度為0.5 m時的安全系數增加7.7%，說明擋土墻的穩定性隨著凸榫長度的增加而有所提高。

凸榫長度同為0.5 m時，凸榫設于墻踵板的安全系數比設于墻趾板的安全系數增加6.6%；凸榫長度同為1.0 m時，凸榫設于墻踵板的安全系數比設于墻趾板的安全系數增加7.2%。可見，凸榫位于墻踵板邊緣處的作用更大。

若同時設置前凸榫與后凸榫h1=h2=0.5 m，其與單獨設置后凸榫h1=0.5 m，h2=0 m的安全系數基本相當，即此時前凸榫對提高擋土墻的穩定性作用不明顯。故不建議擋土墻同時設置前凸榫與后凸榫。

上述穩定性的變化規律，可從圖3所示的滑裂面分布中得到印證。一般地，相同條件下滑裂面越長擋土墻的穩定性越大。凸榫的存在改變了滑裂面的位置與長度，其使滑裂面長度變得越大時，對提高擋土墻穩定性的作用就越大。

3 結語

擋土墻底板設置凸榫對提高擋土墻的穩定性具有較大的作用，凸榫的長度越大，對提高擋土墻的穩定性越有利。凸榫設于墻踵板的安全系數比設于墻趾板的安全系數更大。設置凸榫改變了填土中滑裂面的走向，使滑裂面的長度增大，從而達到了提高擋土墻穩定性的作用。