交通荷载下扶壁式挡墙受力与变形特性分析

王建辉

（中铁二十五局集团第一工程有限公司，广州 510405）

1 引言

伴随着我国经济的高速发展，公路交通运输量增长迅速。然而，既有公路网络已无法适应交通运输需求，迫切需要进行公路改扩建。因此，给公路交通建设带来了新的发展机遇。作为最常见的边坡支挡构筑物，挡土墙在公路改扩建工程中的应用亦是愈来愈广泛。

事实上，挡土墙的发展已有相当长的历史。作为一种能够适应高边坡的支挡构筑物，扶壁式挡墙（见图1）在公路工程建设中的应用较为普遍，主要起支撑工程主体，提高工程稳定性，保障工程安全的作用。国内相关学者对扶壁式挡墙开展了大量研究工作[1-7]。其中，张可能等[8]基于现场监测方法，研究了扶壁式挡墙的力学性能及其演化规律，发现墙后土压力的分布符合库伦土压力理论，扶壁的存在可以有限控制墙体结构的位移发展。然而，在立板、底板与扶壁的连接处容易出现应力集中，对整个结构的承载力不利。邵先锋[9]等研究了超高扶壁式挡墙的安全隐患评定方法，提出的鉴定方法为：首先，根据工程资料制定相应的鉴定方案；然后，分析典型界面的内力特征；最后，基于内力分布规律提出加固措施。章宏生等[10]基于数值方法研究了扶壁式挡墙结构的内力、变形及稳定性，研究表明，扶壁上部和面板连接位置及扶壁前部和底板连接位置处应力较大。

图1 扶壁式挡墙

虽然，现有研究加深了对扶壁式挡墙力学性能的认识，丰富了挡土墙计算理论。然而，扶壁式挡墙与墙后土体是一个相互作用系统，二者之间的非线性较强，关于动荷载作用下扶壁式挡墙力学行为的认识仍较浅显。为此，本文以广东某高速公路改扩建工程中应用的扶壁式挡墙为工程背景，基于通用有限元软件ABAQUS 建立了扶壁式挡墙-土体相互作用三维数值模型，并以此研究了交通荷载下扶壁式挡墙的受力与变形特性。

2 扶壁式挡墙有限元模型

本文基于通用有限元软件ABAQUS 建立扶壁式挡墙-土体相互作用数值模型。ABAQUS 求解非线性问题运用了Newton-Raphson 迭代算法。在求解过程中，首先需要将所要求解的问题划分为若干个步骤，并且将每个步骤设置为一定数量的增量，每一个增量在计算过程中又会迭代一定次数的增量（见图2），进而得到一定范围内的近似解。

图2 迭代过程示意图

本文建立的扶壁式挡墙与土体相互作用的三维数值模型如图3 所示。

图3 扶壁式挡墙-土体相互作用三维数值模型

3 交通荷载下扶壁式挡墙受力与变形特性

如前所述，扶壁式挡墙与墙后土体组成了一个耦合系统，二者之间的相互作用机理非常复杂。为分析交通荷载下扶壁式挡墙受力与变形特性，基于所建立的三维数值模型分别研究了扶壁式挡墙的受力与变形特性。图4 给出了交通荷载下扶壁式挡墙与墙后土体的最大应力分布，图5 给出了扶壁式挡墙与墙后土体的最大位移分布。

图4 交通荷载下扶壁式挡墙及墙后土体应力分布（单位：MPa）

图5 交通荷载下扶壁式挡墙及墙后土体位移分布（单位：mm）

基于数值结果，可以发现扶壁式挡墙的应力分布比较复杂，扶壁处应力较立板和底板更大，且在扶壁与立板及底板连接处出现了应力集中现象，在设计中应特别注意此部位的结构加强。墙后土体的分布基本符合库伦土压力理论，靠近挡墙位置处土体应力幅值更大。此外，通过位移分布可以看出，扶壁式挡墙靠近扶壁位置处的位移较小，而在远离扶壁位置的悬臂端位移较大，土体位移亦在靠近挡墙处更大。

4 结语

本文以广东某高速公路改扩建工程中所采用的扶壁式挡墙为项目依托，基于通用有限元软件ABAQUS 建立了扶壁式挡墙-土体相互作用三维数值模型，并分析了交通荷载下扶壁式挡墙与墙后填土的受力与变形特性。研究表明：扶壁式挡墙的应力分布比较复杂，在扶壁与立板及底板连接处会出现应力集中现象；靠近扶壁位置处，挡墙位移较小，反而土体位移则较大。期望本文相关成果能为扶壁式挡墙设计与施工提供参考。