填芯材料對L型填芯箱式擋土墻穩定性影響研究★

譚楚嫣，龍 騰

(1.湖南鐵路科技職業技術學院,湖南 株洲 412008; 2.湖南工業大學,湖南 株洲 412007)

擋土墻是一種常見的邊坡支檔結構,因其施工方便、經濟實用以及具有較高安全性能而被大量應用于公路、大壩等各類施工建設場合[1]。近年來,懸臂式擋土墻結構被廣泛應用于國內外石料匱乏區域以及地基承載能力不足、地震頻發等地區[2-3],因具有節省石料、結構設計簡單、施工便捷、抗水平剪切力較高且經濟效益優良等特點而備受關注[4],該類擋土墻的受力及變形規律更是成為國內外學者研究的熱點[5-6]。

L型填芯箱式擋土墻是一種以懸臂式擋土墻為基礎所提出的一種新型結構[7],結合了懸臂式擋土墻的優點,且在相同條件下,具有比普通懸臂式擋土墻更高的支擋高度,以及更強的抗滑移和抗傾覆能力,主要是由于其立板和底板內置填芯箱體,且箱體呈L型這一結構特點,使其具備更強的承載能力和穩定性[8]。而L型箱體的填芯材料作為影響L型填芯箱式擋土墻穩定性的重要因素,本文通過快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D,簡稱FLAC3D)軟件對不同填芯材料對L型填芯箱式擋土墻的穩定性影響進行數值模擬研究,通過控制荷載條件,對擋土墻水平位移、豎直位移以及土壓力進行對比分析,探究擋土墻的受力與變形,為該類擋土墻在實際工程設計與施工應用過程中填芯材料的科學選用提供借鑒參考。

1 數值模擬

1.1 模型建立

FLAC3D軟件通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際結構,能夠對巖石、土質等材料的三維結構受力特性進行分析模擬,準確模擬出受外力作用下材料的塑性破壞和流動,在巖土工程等領域廣泛應用[9]。

本次數值模擬使用FLAC3D軟件進行程序計算,建立模型如圖1所示,L型填芯箱式擋土墻墻高2.0 m,墻頂長0.6 m,墻底板長1.5 m,高0.8 m,底板箱體尺寸為1.3 m×0.6 m,墻身箱體尺寸為0.4 m×1.0 m。

1.2 本構關系

在L型填芯箱式擋土墻的數值模擬中,基于相關材料的力學性質和實驗測量,擋土墻背面填土和地基均采用Mohr-Coulonb模型,擋土墻墻體選用Elastic實體模型。

在數值模擬中,除賦予結構合理的本構關系外,還需要考慮不同材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、內摩擦角以及密度等多個參數以準確描述擋土墻和相關材料的性質,以提高數值模擬結果精度。為了建立合理的計算模型,數值模擬過程中所涉各項參數的選取詳見表1。

表1 各材料物理力學參數

1.3 網格劃分

本次數值模擬以FLAC3D軟件作為計算程序,在執行結構單元網格劃分時,需綜合考慮計算準確性和效率,選定適宜的網格密度和數量。因箱體特殊結構特性,在本次模擬過程中,對擋土墻附近的區域進行網格加密,對距離擋土墻較遠位置的網格設置較為稀疏。各個網格域分別歸屬于不同的單元組,并且分別對應特定的材料本構模型。模型共包括28 620個網格節點及18 656個單元。

1.4 邊界條件

實際工程中的地基通常視為半無限體,而在使用有限差分法進行模擬時,通常僅截取需要計算的指定區域,因而,數值模擬時,需限制地基底面z方向及模型側面x方向上的位移。

進行數值模擬時,模型底部及其周圍被限制在相應法線方向上的位移,而擋土墻的外側和頂部則為自由面。為使數值模擬結果更精確,首先建立完整的模型,并將其運行到平衡狀態,而后在擋土墻的頂部施加相應的等效交通荷載。

1.5 填芯材料

L型箱體的填芯材料作為影響L型填芯箱式擋土墻穩定性的重要因素,本文將通過改變填芯材料開展數值模擬對比分析。石灰土因其取材便利,價格低廉,具有較高的強度、整體性及較好的水穩性和抗凍性,在我國路基及支擋結構的建設中得到廣泛采用。而黏土作為一種常見的土壤類型,其顆粒細小,且孔隙小而多,具有較強的脹縮性及可塑性,可通過填土、深層加固和排水措施等手段改善黏土地基的工程性能,是地基加固和地基處理的理想材料。因此,本文選取了石灰土、黏土兩種材料充填L型填芯箱體進行模擬分析。

1.6 加載情況

數值模擬分析選取了石灰土、黏土兩種材料充填L型填芯箱體,并對其墻背填土5.4 m范圍內分別施加10 kN/m2,30 kN/m2,50 kN/m2車輛荷載,對以上三種工況下擋土墻水平位移、豎直位移以及墻背土壓力進行L型填芯箱式擋土墻數值模擬分析。

2 結果分析

2.1 水平位移分析

通常認為,懸臂式擋土墻在荷載施加條件不變的情況下,其底部的土壓力最大,底部位移隨之相對較大。對兩類不同填芯材料充填的L型箱式擋土墻進行施加不同的車輛荷載,分析處理后得到擋土墻墻高與水平位移關系圖,如圖2所示?？梢钥闯鰞深愄钚静牧系膿跬翂υ诓煌奢d施加的情況下,除黏土填芯L型擋土墻在50 kN/m2車輛荷載下接近極限平衡狀態,其余均呈現出較為一致的水平位移變化規律,即從擋土墻底部到頂部,整體呈S型變化趨勢,位移量最小出現在頂部。

對兩類填芯材料充填的擋土墻進行對比分析可以發現,在各類荷載條件下,黏土填芯擋土墻發生的水平位移量均大于石灰土填芯擋土墻水平位移量,認為黏土填芯相較于石灰土填芯,更有利于支擋結構保持穩定。特別是在車輛荷載增加至50 kN/m2的情況下可見,黏土填芯擋土墻趨近墻體頂部,持續呈現出較大水平位移,而石灰土填芯L型擋土墻水平位移依舊遵循較為穩定的變化規律。分析認為,黏土填芯擋土墻在50 kN/m2荷載作用下出現異常位移趨勢,是由于黏土填芯L型擋土墻在50 kN/m2車輛荷載下整體結構接近極限平衡狀態,墻體存在傾覆的可能,導致了頂部水平位移持續較大,而底部因底板箱體作用提供良好支承條件,使得擋土墻下部水平位移穩定。綜上可見,石灰土相較于黏土而言,能夠更好地提升擋土墻整體物理性能,有效減小L型填芯箱式擋土墻的水平位移,提高支擋結構整體穩定性。

2.2 豎直位移分析

對兩類不同填芯材料充填的L型箱式擋土墻進行豎直位移對比分析,如圖3所示,可以發現石灰土填芯擋土墻相較于黏土填芯擋土墻,同荷載條件下所產生的豎直位移更小,表明其豎直位移降低效果更加顯著。趨近墻體頂部,可見兩類填芯擋土墻的沉降差異逐漸擴大。由此可知,石灰土填芯擋土墻在減少擋土墻沉降方面的效果明顯優于黏土填芯擋土墻,且隨著所施加的車輛荷載的逐漸增大,填芯材料對沉降的控制作用逐漸增強,認為填充物類型對控制擋土墻的沉降起著關鍵作用。

2.3 土壓力

如圖4所示,L型箱式擋土墻土壓力分布表現出墻體頂部較小、底部較大的特征,認為該現象是因擋土墻的L型填芯箱體特征結構導致。該結構使得擋土墻的上部區域承受荷載相對較小,應力分布較為均勻,故而上部區域的應力值較小。而下部區域承受的荷載較大,擋土墻箱體結構的剛性致使擋土墻下部的土體受到較大壓力,致使底部區域的應力值相對較大。

在相同的荷載條件下,進行對比分析可以看出,石灰土填芯擋土墻的土壓力始終低于黏土填芯擋土墻的土壓力。認為在相同的外部荷載條件下,L型填芯箱式擋土墻所選填芯材料對降低擋土墻土壓力有著較為顯著的作用。在實際施工設計中,可以通過選擇適宜的填芯材料來有效降低擋土墻的土壓力。

3 結論

通過FLAC3D軟件對L型填芯箱式擋土墻在充填不同填芯材料情況下的穩定性進行數值模擬研究后,得出主要結論如下:

1)L型箱式擋土墻箱體內充填填芯材料能夠有效增強擋土墻穩定性,不同的填芯材料對L型填芯箱式擋土墻穩定性的影響呈現明顯差異。

2)相較于黏土而言,石灰土作為L型填芯箱式擋土墻的填芯材料,能夠更為有效地分散車輛荷載,抵抗外部壓力,有效降低擋土墻位移和土壓力,減小擋土墻的變形和受力,提升L型填芯箱式擋土墻結構穩定性。建議在施工設計時,根據實際情況優化填芯材料選擇,以實現更佳的擋土墻穩定性能。