基于理正巖土計算和ANSYS的某重力式擋土墻結構分析

唐 楊，王國煒，亓興軍，趙 濤

（1.五峰土家族自治縣農村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.山東金衢設計咨詢集團有限公司，山東 濟南 250014；3.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101；4.濟南市規劃設計研究院，山東 濟南 250101）

0 引言

擋土墻作為重要的防護工程構造物，在公路、鐵路、水利等工程中應用廣泛[1-4]，因此，各種新型結構形式的擋土墻發展迅速，逐漸進入大眾視野。而重力式擋土墻作為最傳統的結構形式，在實際工程中扮演著重要角色，因此學者們對重力式擋土墻進行了大量的研究[5-8]。

實際工程項目中，擋土墻在復雜的地質狀況以及多種荷載工況下遭受破壞的工程案例不勝枚舉，因此，為保證施工質量，需要對傳統的重力式擋土墻進行嚴格的結構分析，以確保其結構受力和結構穩定性滿足規范要求。同時，隨著人工、材料、機械價格的上漲，擋土墻的工程造價越來越高，其結構分析和優化設計研究的重要性受到眾多專家學者的關注。李剛等[9]針對某城市防洪土建工程衡重式擋土墻，通過現場檢測以及有限元建模計算分析，發現墻身與衡臺連接處存在拉應力區，當墻后土側壓力過大或者墻身結構強度不足時，墻身易產生開裂，進而影響擋土墻的整體穩定性。王青等[10]為優化擋土墻穩定性，設計了一種UHPC-CA裝配式干砌擋土墻，利用試驗、有限元仿真和理論分析等手段對其穩定性進行研究，結果表明該新型擋土墻整體性良好，抗傾覆安全穩定性可達到等同現澆的效果。F.Bari 等[11]通過計算石質重力式擋土墻的外部和內部穩定性，對重力式擋土墻的最佳高度進行研究，結果表明重力式擋土墻在14 m 內的外部穩定性符合安全要求，但是其內部穩定性分析在高度為8 m 時就不再符合安全要求，故重力式擋土墻的最佳高度為7 m。吳凱等[12]利用塊石和混凝土兩種材料，組合成一種新型的重力式擋土墻，但該研究只有片面性的說明，缺乏充分的計算論證；倪世權[13]分析了影響航道護岸重力式擋土墻滑移穩定性的各種原因，但針對此類具有航道護岸特點的重力式擋土墻計算分析卻很少。

綜合擋土墻的研究成果發現，目前對擋土墻的結構分析仍然較少，且大部分為較為淺顯的說明性分析成果。并且，近年來重力式擋土墻被破壞事件時有發生，而針對重力式擋土墻的破壞大都缺乏定量的結構計算，一般只是針對工程經驗并結合現場的破壞情況進行定性分析，進而采取相應的處置措施[14-15]；針對重力式擋土墻加固效果的計算分析同樣較少。

本文將以某項目中的重力式擋土墻為工程背景，采用理正巖土計算程序對擋土墻的基本受力狀態進行驗算，然后利用ANSYS 有限元分析軟件建立數值模型進行計算分析，以期全面掌握本項目擋土墻的受力情況，為項目順利實施提供理論參考依據。

1 工程概況

項目中重力式擋土墻高6.7 m，頂部寬0.6 m，底部寬2.0 m，墻前埋置深度為2.5 m，墻背坡率為1:0.24，墻面坡率為1:0.5，混凝土采用C30 商品混凝土，擋土墻幾何尺寸如圖1所示，圖中尺寸單位為cm。

圖1 重力式擋土墻幾何尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometry dimensions of the gravity retaining wall

為了較為準確地分析重力式擋土墻的受力狀態，采取一個較大土體范圍進行建模分析，即在墻前考慮12 m 的土體，墻后除了1:1.634 的邊坡以外，考慮12 m 的土體，地基土考慮12 m 深度范圍，具體的數值分析范圍如圖2所示。

圖2 土體計算范圍Fig.2 Soil mass calculation range

2 理正巖土計算軟件驗算

2.1 思路分析

結構驗算采用理正巖土計算6.5PB3 版，驗算前需要在程序中輸入重力式擋土墻的墻身尺寸、坡線土柱物理參數等計算參數。

在坡線土柱設置頁面，坡面線段數設置為2，輸入墻后的兩段坡面線，坡面起始距離設置為0，地面橫坡角度設置為0，填土對橫坡面的摩擦角設置為30°；由于不考慮車輛荷載，換算土柱設置為0；由于墻前填土深度為2.5 m，故而在墻前添加附加集中力，通過輸入墻前填土深度和土體參數，計算得到墻前荷載為164.07 kN/m。在物理參數設置頁面，設置的具體物理參數見表1。在基礎設置頁面，基礎設置為天然地基。在整體穩定性設置頁面，穩定計算容許安全系數設置為1.25，并設置以墻面頂點為圓心，10 m 為半徑的圓弧為計算滑動面。

表1 物理參數表Table 1 Physical parameter table

2.2 驗算結果

經過理正巖土計算程序驗算分析，得到的驗算結果見表2，表中數據表明擋土墻的抗滑穩定性、抗傾覆穩定性、地基承載力、截面應力、整體穩定性等受力指標均滿足相關規范和設計手冊[16-17]要求。

表2 理正巖土計算驗算結果Table 2 Checking calculation results of normalized geotechical calculation

3 ANSYS 模型分析

3.1 思路分析

根據彈性力學理論，重力式擋土墻僅承受橫向作用力，故縱向應變可視為0，符合平面應變的條件假設，為了簡化分析難度，采用平面應變模型代替空間實體模型。

3.2 有限元模型構建

對模型的計算分析采用ANSYS 18.0。重力式擋土墻和土體采用Plane82 單元模擬，同時采用Targe169 和Conta172 單元作為重力式擋土墻和土體的接觸單元，重力式擋土墻與土體之間的摩擦因數設置為0.4。重力式擋土墻采用線彈性模型，其抗拉強度設計值為1.39 MPa，抗壓強度設計值為13.8 MPa，土體采用DP 模型，其材料力學特性見表3。計算中僅考慮自重荷載，施加重力加速度g（g取9.8 m/s2）。在邊界條件上，約束土體兩側邊界的水平位移和土體底部邊界的豎向位移。

表3 擋土墻的材料力學特性表Table 3 Table of material mechanical properties

采用映射網格技術劃分網格，得到的有限元模型如圖3所示，計算分析中的單位制采用N、m、Pa。

圖3 重力式擋土墻的有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of the gravity retaining wall

3.3 結果分析

通過ANSYS 結果計算分析，得到計算范圍內的整體位移如圖4所示，重力式擋土墻的位移云圖5所示，重力式擋土墻的應力云圖如圖6所示。

圖4 計算范圍內的整體位移云圖Fig.4 Overall displacement pictures of the calculation range

圖5 重力式擋土墻的位移云圖Fig.5 Displacement pictures of the gravity retaining wall

圖6 重力式擋土墻的應力云圖Fig.6 Stress pictures of the gravity retaining wall

由圖4a 可以看出，計算范圍內的正向水平位移最大值出現在重力式擋土墻的底部土層附近，約為1.05 mm；負向水平位移最大值出現在重力式擋土墻墻后的坡頂位置，即坡面線發生變化的位置，約為0.94 mm。由圖4b 可以看出，計算范圍內均為負向豎向位移，其負向豎向位移最大值出現在坡頂的水平段，約為14.44 mm。由圖4c 可以看出，計算范圍內的最大位移在墻后填土的水平坡段，其位移最大值約為14.44 mm；最小位移在土體底層，其位移最小值為0。綜合來看，計算范圍內的位移主要表現為豎向位移，水平位移相比于豎向位移可以忽略不計。

由圖5a 可看出，重力式擋土墻的水平正向位移最大值出現在基礎底部，約為1.00 mm，水平負向位移最大值出現在重力式擋土墻的頂部，約為0.71 mm，由此可見，重力式擋土墻存在向土體內側傾斜的變化趨勢；由圖5b 可看出，負向豎向位移最大值發生在重力式擋土墻頂部，約為8.96 mm，負向豎向位移最小值發生在基礎墻面上，約為8.02 mm；由圖5c 可看出，重力式擋土墻的總位移最大值為8.99 mm，出現在重力式擋土墻頂部，最小值與最大值相比較為接近，約為8.03 mm，出現在基礎墻面上。

由圖6a 可看出，重力式擋土墻的水平拉應力最大值出現在墻趾位置，約為0.42 MPa，水平壓應力最大值出現在墻身與基礎的夾角位置，約為2.52 MPa；由圖6b 可看出，重力式擋土墻的豎向拉應力最大值出現在基礎位置墻面一側的頂部，約為0.43 MPa，豎向壓應力最大值出現在基礎底部，約為2.20 MPa；由圖6c 可以看出，重力式擋土墻的主拉應力和主壓應力最大值均出現在基礎底部，主拉應力最大值為0.75 MPa，主壓應力最大值為0.55 MPa。綜合以上應力分析可知，重力式擋土墻的主應力在C30混凝土抗拉和抗壓強度設計值內。

4 結論

本文以項目中的重力式擋土墻為實例，通過理正巖土計算程序進行結構驗算分析和ANSYS 有限元的精細化結構分析，得到以下結論：

1）理正巖土計算程序的分析結果表明，重力式擋土墻的穩定性、地基承載力、截面應力均能滿足結構受力要求。

2）ANSYS 精細化有限元分析結果表明，重力式擋土墻的豎向位移遠大于水平位移，墻后填土的水平段沉降較大；從重力式擋土墻的結構位移和結構應力綜合分析，重力式擋土墻的結構變形較小，主要表現為剛體位移，其主拉應力距離C30 混凝土的抗拉強度設計值較遠，具有足夠的拉應力儲備，主拉應力主要出現在基礎底部和墻面一側。

3）綜合理正巖土軟件驗算分析和ANSYS 精細化有限元分析，由于墻前填土極易遭受破壞，建議在重力式擋土墻的基礎底部設置防滑凸榫或者墻底傾斜坡度，從而提高重力式擋土墻的抗滑穩定性和抗傾覆穩定性。