交通荷載作用下懸臂式擋土墻力學特性研究

徐庶德

（中鐵二十五局集團第一工程有限公司，廣州 510405）

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，交通運輸事業突飛猛擊。作為最重要的交通運輸方式之一，公路運輸迎來了新的發展機遇。作為公路運輸的重要載體，公路工程建設的需求亦日益增長。在公路建設中，擋土墻結構是最常用的支擋結構物，常見的擋土墻有多種結構形式，如重力式、懸臂式、扶壁式、錨桿式等[1]，如圖1 所示。

圖1 公路擋土墻常見的結構形式

重力式擋土墻一般用塊石、磚或者素混凝土筑成，主要依靠擋土墻本身所受的重力保持穩定，通常用于墻高小于5 m的低擋土墻，其特點主要是結構簡單，施工方便，施工工期短，能就地取材，對地基承載力要求高，工程量大，沉降量大。懸臂式擋土墻多用鋼筋混凝土施工而成，其穩定性主要依靠墻踵懸臂以上的土所受重力維持，它的懸臂部分的拉應力由鋼筋來承受，適用于地基土質差且墻高低于5 m 的工程。其特點是截面尺寸小，施工方便，對地基承載力要求不高，工作面較大。當擋土墻的高度大于10 m 時，為了增加懸臂抗彎剛度，沿墻長縱向每隔0.8～1.0 m 設置1 道扶壁，稱為扶壁式擋土墻，其特點是工程量小，對地基承載力要求不高，工藝較懸臂式復雜。錨桿式擋土墻是指主要由預制的鋼筋混凝土柱、擋土板構成的墻面，與水平或傾斜的鋼錨桿聯合組成。錨桿的一端與立柱連接，另一端被錨固在山坡深處的巖層或土層中。墻后側壓力由擋土板傳給立柱，由錨桿與巖體之間的錨固力，即錨桿的抗拔力，使墻獲得穩定，其特點是結構輕、柔性大，工程量少、造價低，施工工藝較復雜，適用于地基承載力較低、墻高較大的重要工程[2-4]。

如前所述，不同結構形式的擋土墻具有不同的特點和適用條件，懸臂式擋土墻在公路工程建設中應用較為廣泛。為此，本文將以某高速公路工程中所采用的懸臂式擋土墻為工程背景，基于通用有限元軟件ABAQUS 建立三維數值模型，系統地研究交通荷載作用下懸臂式擋土墻的變形與內力分布規律。

2 懸臂式擋土墻數值模型

本文數值模型基于通用有限元軟件ABAQUS 開展。作為世界著名的大型通用有限元軟件之一，可以分析非常復雜的固體力學和結構力學問題，能夠使復雜模型可視化，對高度非線性問題可以最大限度地收斂處理。相比其他有限元軟件，ABAQUS 具有以下3 方面優勢：（1）可以對高度非線性問題進行求解，且可對復雜非線性材料本構進行模擬；（2）對各向異性材料、非均質問題處理方便；（3）對各種復雜邊界條件適應性好，且包含了豐富的單元種類和材料庫。

在建模過程中，墻后土體采用摩爾庫倫模型[5]。摩爾庫倫模型主要適用于單調荷載作用下的顆粒狀材料力學行為的模擬，廣泛應用于與巖土相關的工程中[6]。

摩爾庫倫本構模型的屈服面函數為：

式中，Rmc為剪切強度，取值與φ 有關；φ 為摩擦角，取值范圍為0°～90°；c 為材料的黏聚力；p 為壓力。

本文建立的懸臂式擋土墻有限元模型如圖2 所示。

圖2 懸臂式擋土墻-土體相互作用有限元模型

3 交通荷載作用下懸臂式擋土墻力學特性分析

為分析交通荷載作用下懸臂式擋土墻的力學特性，基于所建立的懸臂式擋土墻-土體相互作用模型分別研究了懸臂式擋土墻的變形與受力特性。圖3 給出了交通荷載作用下懸臂式擋土墻在x 方向與z 方向的位移分布，圖4 給出了懸臂式擋土墻在x 方向與z 方向的應力分布。

圖3 交通荷載作用下懸臂式擋土墻位移分布（單位：m）

圖4 交通荷載作用下懸臂式擋土墻應力分布（單位：Pa）

由圖3 可以發現，在交通荷載作用下，懸臂式擋土墻的立板在水平方向與懸臂梁類似，即墻頂變形較大，立板與底板連接處變形較小。在縱向，懸臂式擋土墻的位移變化較小，整個結構呈現“剛體運動”特征，這是由于擋土墻的縱向位移主要是由墻周土體變形所引起的，結構本身變形相對土體變形導致的變位較小。另外，通過圖4 可以看出，懸臂式擋土墻的根部應力較大，這是由于在墻后土壓力作用下，擋土墻根部彎矩較大，進而導致應力較其他位置更大，通過縱向應力分布結果可以發現，懸臂式擋土墻在墻后土壓力作用下，其立板應力分布特征與懸臂梁亦類似[7-9]。

4 結語

本文以某高速公路建設所采用的懸臂式擋土墻為工程背景，采用數值方法研究了交通荷載作用下懸臂式擋土墻的力學特性。研究發現，懸臂式擋土墻的立板在水平方向呈現墻頂變形大、墻底變形小的趨勢，且在墻后土壓力作用下其立板的應力分布特征與懸臂梁類似。期望相關成果能為懸臂式擋土墻建造提供參考。