装配式波纹钢板挡土墙力学特性分析

2021-12-07蒲广宁梁俊伟韩丽娟

青海交通科技 2021年2期

蒲广宁梁俊伟郭昆韩丽娟

(正平路桥建设股份有限公司西宁 810001)

引言

重力式挡墙施工量大、基础承载力要求高；格梁式预应力锚索(锚杆)挡土墙自重小、适应性好、施工复杂、周期长、造价高[1]；加筋土挡土墙施工便捷、经济、环保，但墙身变形大，难以满足高等级公路对变形的控制要求[2-5],且在实际施工过程中，受到交通条件限制，山区公路支挡结构的建设难以展开快速化施工，严重制约工期。有必要采用一种便捷高效的方法开展路基的扩宽和支护。波纹钢板挡土墙，是一种基于公路波纹钢板管涵中常用的波纹钢板结构、加筋挡土墙及公路桥梁剪力钉的思想，改进的一种新的支挡形式。该挡土墙具有面板强度大、刚度大，施工速度快，环境扰动小的特点。

1 波纹钢板加筋挡土墙构造及工艺

波纹钢板挡土墙主要由挡土墙面板、剪力钢筋、拉筋带和锚拉板四部分构成，上部为波纹钢面板，下部为同型号埋入式波纹钢板基础，板与板之间采用螺栓错位搭接；面板在波谷处自上而下每700mm预留拉环筋环孔洞；基础竖向每200mm预留剪力筋孔洞。挡土墙构造见图1所示。

图1 波纹钢板挡土墙构造简图

2 参数及模型

设定模型尺寸为20m×10m×1.2m，墙背填土范围为，宽10m，高4.2m，基础埋深1.5m，几何模型如图2所示。

图2 波纹钢板挡土墙构造模型

图3 波纹钢板挡土墙模型

设定波纹钢板厚度方向为X轴，以填土一侧为正方向，波谷靠近填土一侧；道路行驶方向为Y轴，以前进方向为正方向；高度方向为Z轴，以顶面向上为正。

假定土体通过自重作用实现压实，钢塑复合拉筋带不承担压力和弯矩作用，拉筋带、锚拉板和土体之间不存在相互滑动。土体为理想弹塑性材料，波纹钢板、剪力钢筋、钢塑复合拉筋带等为弹性体模型。选用研究波纹钢板和土体分别采用Von Mises准则和摩尔—库伦准则[6-8]进行分析，材料参数按表1～表3取值。

表1 土体及波纹钢板板材料性质

表2 波纹钢板板规格参数

表3 钢塑复合拉筋带

2.1 模型建立

采用C3D8R单元、S4R单元、B31单元和T3D2单元分别建立土体、波纹钢板、剪力筋和钢塑复合拉筋带模型。模型关系为：剪力钢筋及挡墙基础与土体之间采用embed约束，面板与填土体之间采用面—面接触，筋带与面板采用tie约束，筋带与土体之间采用embed约束。模型底部为全约束，除顶部外，其余各边界仅施加法向约束，模型见图3所示。

2.2 测点布置

分别波纹钢板的波峰和波谷沿Z轴方向设定观测点，自波纹钢板顶部而下，每0.6m设定一个测点；X轴正方向每米设定一个观测点，测点布置见图4所示。

3 结果分析

3.1 填土作用效应

图5为波纹钢板挡土墙及拉筋带的变形。如图所示，面板和拉筋带水皮向变形最大值仅为1.53mm，相对于面板高度变形仅为0.032%。

图4 测点布置图

图5 波纹钢板及筋带水平向变形值(单位：m)

如图6所示，自面板顶向下，波峰和波谷应力约呈反对称“S”型。波谷以受压为主，先减小后增大，而后逐渐减小；波峰以受拉为主，呈现出先增大后减小，而后再增大再减小的趋势；波峰主应力达到最大值约17MPa，波谷主应力最大值约6.5MPa，两者相差约23.5MPa，应力值均远小于材料强度值。

图6 波纹钢板随深度应力值

图7 波纹钢板随高度水平位移

图7为波纹钢板在填土作用下的水平位移。填土过程中，波纹钢板呈现出“S”型曲线。下部最大位移在Z=-5.4m处，水平位移为-2.04mm；上部最大位移在Z=-3.6m处，最大位移值为-1.78mm；反弯点位于挡墙处Z=-1.0m处。

图8为X方向距离挡土墙0～6m处，土体内部深层水平位移，直观的体现了挡土墙下部受到挤压的作用效应，并于挡土墙趾部最为明显。图9为在挤土效应下，深度为1.8m、3.6m和5.4m土体的水平位移。挡土墙下部的最大位移为-2.04mm(挡土墙趾部)，随着填土高度增加，该效应逐渐减小，且距离挡墙距离越远，该效应越弱。

图8 墙后土体内部位移与深度、距离关系

图9 墙后土体内部位移

3.2 荷载作用效应

在模型顶部距离波谷1m处分别施加80kPa和120kPa的竖向均布车辆荷载作用。图10和图11给出荷载作用下的应力和变形。当荷载设定为120kPa时，面板—拉筋带体系中最大应力处于拉筋带部分，最大值为147MPa，远小于表中所述钢塑复合拉筋带破断设计值。

图10 120kPa荷载波纹钢板挡土墙受力状态

图11 附加荷载作用下面板水平向变形

如图11所示，80kPa竖向荷载作用下，波纹钢板产生正向的最大位移为6.35mm，位于距离挡土墙顶部3.2m处；挡土墙顶部和趾部位移分别为3.74mm和3.99mm。120kPa竖向荷载作用下，波纹钢板产生正向的最大位移为10.34mm，位于距离挡土墙顶部2.8m处；挡土墙顶部和趾部位移分别为8.18mm和5.18mm。对比两种荷载作用下的挡土墙变形，波纹钢板挡土墙均在中部背向土体“凸”起。随着荷载增加，挡土墙凸起部分的位置逐渐提高，并产生背向土体的倾斜趋势。