基于ANSYS的浸水重力式挡土墙- 土体系受力与变形数值模拟分析

2020-05-24魏峰

工程建设与设计 2020年8期

魏峰

(甘肃省兰州市城市建设设计院，兰州730050）

1 引言

重力式挡土墙具有良好的结构自稳能力，施工方便且经济效益高，在公路、铁路、水利、港湾工程、水闸岸边等工程中广泛应用。而由于靠近河道的浸水重力式挡土墙的特殊性，其受力及变形特征表现的更为复杂。

当前，国内外学者对挡土墙的受力及变形等问题进行了大量的研究，并取得了一定的成果。Enrique Castillo 把传统的土压力计算方法和基于概率的可靠度方法结合在一起，得到了一种新的挡土墙受力计算方法[1]；Li 等[2]通过对重力式挡土墙的动力响应分析，提出了挡土墙抗震稳定性的分析方法；于德湖、姚裕春、芦佳等[3~5]分别采用数值模拟方法对扶壁式、悬臂式及衡重式挡土墙进行了模拟分析，得出了不同形式挡土墙的受力及变形特点。同时，也有部分学者对浸水挡土墙进行研究分析，例如，Valeriy 等[6]提出了一种泥浆型浸水挡土墙的设计方案和施工工艺，能有效抵抗地层以及河水的侧向荷载；范小倩，高青松[7，8]分别对浸水重力式挡土墙的稳定问题进行分析和探讨；付佩[9]通过对比分析受力模式及计算方法等，研究了浸水挡土墙与一般挡土墙的异同。

通过上述研究发现，目前对浸水重力式挡土墙的稳定性研究较多，但对墙后应力的分布还多采用经典的库伦理论，先计算总的土压力，然后按三角形分布来反推墙后应力分布，这种做法不能准确地反映墙后土压力的分布。另外，对于墙体位移的研究，一般采用实测的方法，这种方法一方面成本较高，另一方面，对于有一定埋深的墙体，实测位移精度难以得到保证。基于此，本文以某工程已建靠近河道的重力式挡土墙为依托，利用ANSYS 有限元软件对该浸水重力式挡土墙进行天然状态及洪水刚过时2 种不同工况下墙-土体系的应力分布以及位移响应规律分析，以期对该类挡土墙的设计、维护及加固等提供理论依据与参考。

2 工程概况

该挡土墙为位于甘肃省兰州市某村庄的河流旁，河道坡度约为3%，平常河道内无地表水。最大洪水水位约为2m。该挡土墙总长350m，高约5m。挡土墙墙后填土采用天然级配砂卵石土，分层压实，压实度要求不小于90%。墙身采用M10 浆砌片石砌筑而成；墙胸和墙背的坡比均为1∶0.25，墙顶宽1.5m；墙基础厚度为1m。墙身泄水孔（15cm×15cm）按照梅花形布置，间距2.0m；墙脚泄水孔（30cm×30cm），间距2.0m；此外，墙背后设厚度为30cm 的碎石反滤层、地面处设厚50cm的黏土隔水层。挡土墙横断面如图1 所示。

图1 天然状态下挡土墙横断面示意图（单位：m）

3 ANSYS 有限元模型分析

3.1 材料参数

根据该挡土墙场地的详细勘察钻孔资料，得出本次有限元模型挡土墙与土体材料参数如表1 所示。

表1 挡土墙与土体材料参数

3.2 本构关系及单元类型

挡土墙结构中的墙体材料为浆砌片石，材料模型选用线弹性模型；土体材料选用理想弹塑性模型（DP 模型），且遵循Drucker-Prager 屈服准则，土体单元选用八节点矩形单元，如图2 所示。

另外，为了能够更加精确地模拟地基与挡土墙及填土之间的接触作用，采用ANSYS 软件中的接触单元，在填土与挡土墙及地基接触面处建立面接触单元。将挡土墙墙体与地基接触表面看作刚性接触面，选取Targe169 单元；将填土接触面看作柔性的接触面，选取Conta172 单元。接触单元的形式为面-面接触，如图3 所示，图中，e为偏心距。

图2 八节点平面单元示意图

图3 接触面单元示意图

3.3 模型建立

根据该实际工程的特点及问题，本文建立高5m，基础为1m×2m 的二维重力式挡土墙计算模型。

对于此计算模型中的挡土墙，主要考虑土体的位移，故假设土体侧向及底部处于零位移状态，即在任何条件下都不会产生位移。另外，为了优化有限元模型的建立并方便计算，只考虑挡土墙自重作用，即只在y方向施加重力作用。模型网格由土体单元、墙体单元以及墙体与土体的接触面单元组成。

4 数值模拟结果及分析

4.1 天然状态下结果分析

图4a 为挡土墙x向位移云图，可以看出，挡土墙侧向位移最大值出现在墙的顶部，为10.2mm；最小位移出现在挡土墙的底部，为0.4mm。其位移沿墙身从墙顶到墙底位移逐渐降低，这主要是由于填土及地基土的作用，使挡土墙位移受到约束，从而出现明显的“水平位移分层”现象。由图4b 可以看出，挡土墙的y向位移最大值出现在挡土墙墙趾处，为29.2mm；最小y向位移出现在墙踵处，为7.0mm，且沿挡土墙底部由墙趾至墙踵逐渐减小，其位移呈现出明显的“竖向位移分层”现象。

图4 天然状态下挡土墙位移云图

由挡土墙应力云图（见图5）可知，挡土墙应力最大值出现在墙趾板右侧，出现应力集中现象，其中x方向最大应力达到9.29MPa，y方向最大应力为7.44MPa。由图也可以看出挡土墙局部也出拉应力，若拉应力过大，挡土墙可能会出现倾覆破坏。因此，在对挡土墙设计和施工时，要增加墙趾板的强度以保证挡土墙的抗倾覆能力。

图5 天然状态下挡土墙应力云图

4.2 洪水过后结果分析

对于浸水地区挡土墙土压力的计算，除了考虑土压力以外，还需要考虑水压力、浮力及水位差对土压力的影响等。在洪水过后，挡土墙墙前的水位下降，但墙后填土水位并未及时下降，此时墙前后形成水位差。此处为了简化模型并方便计算，通过在墙背后施加三角形分布的静水压力和用浮重度来计算墙后土压力的方法来模拟洪水过后水位差对挡土墙的影响。

图6a 为洪水过后挡土墙位移云图，可以看出，挡土墙x向位移最大值出现在挡土墙墙顶，为28.8mm；最小位移出现在挡土墙墙底，为13.3mm。与天然状态时的情况相比较，洪水过后，挡土墙位移明显增大，说明洪水过后，挡土墙发生破坏的可能性增大。由图6b 可以看出挡土墙的y向位移最大值出现在挡土墙墙趾处，为62.8mm；最小位移出现在靠近墙踵处，为32.0mm。其位移沿墙底宽度也呈现出明显的“竖向位移分层”现象。

填土x向最小位移出现在与挡土墙顶部接触的位置，为3.3mm，且沿挡土墙身逐渐增大，从上至下逐渐增大。最大位移出现在墙踵与填土体接触底部，为10.8mm。填土y向最大位移出现在左侧靠近挡土墙土体上部，为9.5mm。因此，若对挡土墙的位移进行监测时，宜选择墙顶及墙底作为监测对象。

图6 洪水过后挡土墙位移云图

由挡土墙应力云图（见图7）可以看出，由于x向受到新增加的静水压力作用，x向应力出现交大的变化，在挡土墙背应力突增，且沿墙踵至墙趾逐渐减小，其最大应力为14.38MPa；y向应力最大应力为9.47MPa，且在墙趾板右侧处出现应力集中现象，可能会使挡墙在墙趾处出现微小裂缝，降低其承载能力。填土体x向和y向的应力最大值均出现在填土体与墙踵接触的位置。由上述结论可知在洪水过后，挡土墙墙踵及填土局部强度可能会降低，导致其稳定安全系数下降，所以，设计、修筑挡土墙时，必须要保证墙底土体的强度，并且提高一定的安全系数。

图7 洪水过后挡土墙应力云图

4.3 结果讨论

4.3.1 结构体系位移分析

对天然无水状态下和洪水过后2 种不同工况下的挡土墙位移进行比较分析，得出x向沿墙身高度各点位移量及y向沿墙底宽度各点位移量的对比图（见图8）。

由图8 可知，挡土墙x向位移最大值出现在墙顶，y向位移最大值出现在挡土墙墙趾处；在降雨及洪水过后，挡土墙在墙前水位降落过程中，墙后水位并未能及时下降，墙面侧向、竖向位移都随之而增大；且在墙身高3m 处出现明显突变，这是由于洪水入渗后，墙体、填土等吸力降低，孔隙水压力增加，有效应力会减小，墙后填土发生卸载回弹。另外，洪水及降雨后，墙后填土含水量过大，墙后排水不通畅，导致其总重力增加，墙后土压力也会急剧增加。

图8 x、y 向位移对比图

4.3.2 结构体系应力分析

对天然状态下和洪水过后2 种不同工况下的挡土墙应力进行比较分析，得出x向沿墙身高度各点应力大小及y向沿墙底宽度各点应力大小的对比图（见图9）。

由图9a 可知，天然状态下x向应力最大的地方在挡土墙墙趾位置，沿挡土墙墙背由高到低x方向有效应力逐渐增大。但在洪水过后，x向应力出现不均匀变换，在墙趾板处出现应力集中现象。另外由图9b 可知，y方向沿墙底由墙踵到墙趾有效应力逐渐减小，这是由于墙踵位置土体受到更大自重力作用。在洪水过后，挡土墙x、y向应力都明显增大，这是由于挡土墙承受水的浮力，挡土墙后水下土体呈饱和状态，使强度降低。另外，设计长期或季节性浸水的挡土墙时，除了按一般挡土墙考虑所作用的力系，还应考虑水对墙后填土及墙身材料的影响，墙体材料在外荷载作用下更容易受拉开裂。随着降雨入渗，挡土墙及填土内摩擦角减小，降低挡墙的抗剪强度，墙后土压力也会急剧增加。说明随着内摩擦角的减小或墙后填土含水量过大，都不利于挡土墙的稳定。