扶壁椅式擋土墻有限元分析★

盧昱宏 羅 鑫 梁凌川

(湖南工業大學土木工程學院，湖南 株洲 412007)

近年來國內外學者對新型支擋結構的特性展開了許多研究。白皓[1-3]對椅式樁板結構的工作機理進行了深入的分析，運用ABAQUS有限元軟件建立了椅式樁板擋土墻的三維數值模型，對結構的內力變形、巖土體作用及主要影響因素進行了分析。張長江[4]對樁基扶壁式擋土墻的受力特點進行分析，并提出了樁基扶壁式擋土墻的理論計算模型，通過有限元軟件Phase2D建立實際工程的數值模型，并對數值計算結果進行分析。張禮財[5]、姚裕春[6,7]對椅式樁板結構的結構力學特性進行了分析，張禮財認為椅式樁板支擋結構中的橫梁是整個結構受力最薄弱的構件，樁的懸臂段土壓力為拋物線分布，椅式樁板整體結構具有較強的抗變形能力和整體協同性，能有效維持陡坡的穩定。

本文通過有限元軟件ABAQUS對扶壁椅式擋土墻進行模擬，研究樁和擋土墻的內力變化、位移變化以及扶壁椅式擋土墻設計要點，為扶壁椅式擋土墻的設計提供了依據。

1 扶壁椅式擋土墻模型的建立

1.1 模型設計參數

有限元模型由地基、填土以及扶壁椅式擋土墻三個部分組成，地基和填土均為寬10 m粘性土，其中地基深20 m，填土高12 m，扶壁椅式擋土墻采用鋼筋混凝土結構，扶壁椅式擋土墻由樁和扶壁式擋土墻構成，其中椅式樁包括兩根主樁和兩根副樁，主樁和副樁均采用邊長為1.2 m的方樁，樁距為5.8 m，排距為7.2 m，樁的上方設置寬度為10 m、厚度為0.6 m的承臺板，承臺與樁剛性連接可有效提高支擋結構的整體穩定性。在承臺的上方設置豎向擋土板和扶壁，其中扶壁設計為直角梯形，上底和下底長度分別為0.5 m和7.4 m，擋土板寬度為10 m，厚度為0.6 m，扶壁的厚度為0.3 m，扶壁與擋土板以及扶壁與承臺進行剛性連接。在支擋結構以及地基的上方設置寬10 m，高12 m的填土。結構的詳細尺寸如圖1所示。

1.2 有限元模型的建立

地基和填土采用摩爾—庫侖模型，扶壁椅式擋土墻采用C40混凝土進行建模，土體和擋土墻的材料參數如表1所示。在荷載和約束設置時，僅考慮重力荷載對結構的影響，約束方式如圖2所示，在地基底面設置完全約束，在土體的側面設置單向約束使土體外表面只產生豎向位移。扶壁椅式擋土結構與地基土和填土之間存在著復雜的接觸關系，在接觸分析中選擇扶壁椅式擋土結構為主表面，土體作為從表面，在接觸屬性中定義法向分量和切向分量，其中切向行為中定義罰函數摩擦系數為0.6；由于樁的底部與土體始終相連接，所以在樁底與土體進行綁定設置。

表1 力學參數表

土體與支擋結構之間存在復雜的非線性接觸問題，容易造成計算結果不收斂，所以試件采用八節點的三維實體單元進行網格劃分，地基和填土網格精度設置為2 m，扶壁椅式擋土墻網格精度為1 m，如圖2所示。

2 有限元結果分析

2.1 扶壁椅式擋土墻位移變化

圖3，圖4顯示了扶壁椅式擋土墻的豎向位移云圖以及主樁與副樁不同位置的豎向位移變化，由于扶壁椅式擋土墻的重心偏向于主樁一側，在重力的作用下主樁的豎向位移略大于副樁的豎向位移，圖4顯示了主樁與副樁的豎向位移變化趨勢，由圖4可知,當樁深度相同時，主樁的豎向位移相對于副樁平均高出約0.88 mm，且主樁和副樁都隨著在地基中深度的增加豎向位移有微小的降低。

2.2 扶壁椅式擋土墻應力分析

扶壁椅式擋土墻擋板應力云圖如圖5所示，擋板應力從下至上逐漸減小，如圖6所示，最大應力出現在擋板與承臺交界處，受中間扶壁的影響，擋板內外兩側的應力值相差不大，在填土高度為2 m向上時，應力減小的趨勢變緩。承臺的應力從靠近擋板處向外表現出先出現少量降低再大幅上升的趨勢，承臺最大主應力出現在承臺的邊緣，其最大值為7.78 MPa，如圖7所示。受樁基的影響，在承臺與樁交界處會產生較大的拉應力，因此在結構設計時連接部位應進行加強處理。由應力云圖可以看出抗滑樁的應力隨著樁深度的增加其應力值逐漸降低。

3 結語

本文通過有限元軟件ABAQUS建立扶壁椅式擋土墻計算模型，研究扶壁椅式擋土墻在自身重力和填土重力的作用下，對結構的位移、變形的影響，得如下結論：1)主樁從樁底向上水平位移逐漸增加，但在主樁與承臺交界處出現轉折，在承臺向上，水平位移增長量減小。由于扶壁椅式擋土墻重心偏向于主樁一側，使主樁與副樁的豎向位移不同，在樁的同一水平位置，主樁豎向位移比副樁的豎向位移高出約0.88 mm。2)擋土板應力從下向上逐漸降低，在填土高度為2 m處降低趨勢減緩，承臺的最大應力出現在距擋土板較遠處。