多级挡土墙的力学分析

付立平

(内蒙古包头市公路工程质量监督站，内蒙古 包头 014040)

多级挡土墙的力学分析

付立平

(内蒙古包头市公路工程质量监督站，内蒙古 包头 014040)

应用ANSYS10.0分析软件，建立合理的多级挡土墙模型进行数值分析，对各级挡土墙墙背土压力的大小和分布规律，以及挡土墙的水平、竖直位移，X、Y方向的应力进行研究，总结得出应力、位移的变化规律。

多级挡土墙； ANSYS； 数值分析

1 多级重力式挡土墙的有限元模型建立

本模型的挡土墙墙背坡度比为1∶0.15，墙面坡度比为1∶0.25，基础埋深1.7 m，底部宽度5.69 m，墙身高度5.1 m。挡土墙采用C20混凝土砌筑。基岩、填土和挡土墙的物理及力学参数如表1所示。

表1 材料参数

选择恰当的模型尺寸和单元类型，对约束条件进行合理的设置，然后按照平面问题考虑建立整体模型见图1，对整体模型网格细化处理见图2，精确求解挡土墙应力和位移的大小，以得到较为精确的计算结果，使结果分析更趋于合理。

图1 整体有限元模型

图2 整体有限元模型划分

2 挡土墙位移分析

各阶挡土墙中侧向位移最大的出现在第一阶挡土墙，平均位移为51.88 mm，最大位移出现在墙顶部为52.18 mm；相比前两阶，第三阶挡土墙的侧向位移则要小很多，原因和其底部埋在基岩里对挡土墙的侧向移动有一定约束相关；各阶挡土墙侧向位移均随着墙身高度的升高而增大，侧向位移最大点均出现在墙顶部，说明挡土墙顺时针倾斜，在实际工程中如果需要对挡土墙侧向位移进行观测时，最好选择挡土墙的顶部作为观测部位；而第二阶挡土墙侧向位移幅度变化最为明显，相比另外两阶墙体几乎平移的移动，第二阶挡土墙则出现了更为明显的旋转，在实际工程中对于可能发生的因为旋转而致挡土墙发生倾覆需要进行重点监测。

在各阶挡土墙中沉降最大的是第一阶挡土墙，平均沉降为56.44 mm，最大沉降出现在墙趾与墙底交点处为56.63 mm；在各阶挡土墙墙底中最右侧沉降量均比左侧沉降量要大，第三阶挡土墙由于处在基岩内而基岩刚度较大所以沉降最小。

3 挡土墙应力分析

(1)图3为ANSYS中的第三阶挡土墙X方向应力云图，(在查看各阶挡土墙X方向应力云图时发现，挡土墙最大拉压应力出现的位置大体相似，均在墙面弯折处和墙底部距墙踵3.9 m处，而第三阶挡土墙拉压应力较大，所以只出示第三阶挡土墙云图为例)。第三阶挡土墙最大压应力出现在墙面弯折处，最大值为1 150 kPa，等于1.15 MPa， C20混凝土的轴心压应力为9.6 MPa，远大于挡土墙压应力最大值，所以符合要求；最大拉应力出现在墙底部距离墙踵3.9 m处，最大值为439.825 kPa，约等于0.4 MPa，而C20混凝土的轴心拉应力为1.1 MPa，同样符合强度要求。

(2)如图4所示，在各阶挡土墙中第一阶和第二阶挡土墙最大拉压应力位置相似，压应力最大出现在墙面弯折处，而拉应力则出现在墙趾与墙面交线处，分别为第一阶挡土墙压应力为0.417 MPa、拉应力为0.072 MPa，第二阶挡土墙压应力为0.499 MPa、拉应力为0.096 MPa，而第三阶挡土墙的最大拉应力则是出现在墙背高1.9 m处，为0.136 MPa，最大压应力则是与前两阶挡土墙的位置相似，为0.959 MPa。对于拉应力的分析，可能是由于第三阶挡土墙基础部分埋在基岩内，在上部土压力作用下挡土墙有向右运动的趋势，而下部的基岩约束其向右运动，在墙背处产生弯矩，出现拉应力。对于Y方向的应力，同样符合挡土墙的强度设计等级，如有特殊要求可使用加筋混凝土或提高强度等级等。

图3

图4

4 结 论

(1)从挡土墙的位移结果来看，各级挡土墙的位移由下至上成增长趋势，第三阶挡土墙最小，第一阶挡土墙最大。整个模型中，第三阶挡土墙处于基岩内，所以比较稳固，位移量也比较小，第一、二阶挡土墙位于填土内，所以会产生较大变形从而会引起挡土墙位移较大。(2)结合对各级挡土墙的位移和应力的分析结果来看，距离基岩的竖向高度越高，挡土墙位移越大，所受到的压力较小，反之离基岩竖直方向高度越小，挡土墙位移越小，所受到的压力较大。(3)从挡土墙的应力结果分析来看，第三阶挡土墙无论是拉应力还是压应力都是三者中最大的，分别出现在墙底和墙面弯折处。

[1] 赵明华，俞晓，王贻荪.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.

[2] 胡仁喜，康士廷.ANSYS14.5土木工程有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.

2016-09-26

付立平(1970-)，男，内蒙包头人，工程师。

U418.9

：B

：1008-3383(2017)06-0064-01