U槽扶壁式挡土墙有限元分析.pdf

福建材岩土工程2023年U槽扶壁式挡土墙有限元分析刘国星（林同国际工程咨询（中国）有限公司广州分公司，广东广州5 1 0 2 2 0）摘要以佛山某新建景观桥人行梯道的U槽扶壁式挡墙为背景，采用Midas软件对U槽扶壁式挡墙进行了有限元分析。结果显示，U槽扶壁式挡墙的墙顶水平位移较大，位移最大值为31.0 9 mm，满足规范要求规定的水平最大位移 1%墙高的限制；侧墙与底板交界处存在复杂的应力分布现象，竖向正应力分布在侧墙端部，竖向剪应力则分布在侧墙与底板交界处的底板上，扶壁则承受了较大的水平剪应力。关键词扶壁式挡土墙；有限元；位移变形0引言挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。根据结构式的不同，挡土墙可以分为重力式、半力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、锚定板式、桩板式、加筋土式。当墙后填土较高时，扶壁式挡土墙应用比较常见。相比于重力式挡土墙，扶壁式挡土墙的工数量少、自重轻，能够适应不同的地基承载力；相比于悬臂式挡土墙，扶壁式挡土墙的受力性能更为优越，能够适用于更高的墙后填土。目前，扶壁式挡土墙在公路工程、桥梁工程、建筑工程及水利工程均得了广泛的应用。近年来，扶壁式挡墙损坏、失稳甚至倾覆的发生有很多案例。如浙江省某中学某扶壁式挡土墙建造于2012年，仅仅过了3年，于2 0 1 5 年2 月2 8 日，在几天连续大雨后，中间一段挡土墙向前倒塌，滑坡山体及破坏后的挡墙等沿地势冲垮了学校围墙2;山东省再生资源公司黄岛生产加工点因暴雨积水导致土壤松动，挡土墙倒塌，压倒职工居住板房，造成1 8 人死亡，3人受伤的惨剧；兰陵县鲁城镇的兰陵顺天运输有限公司驻地院内一在建挡土墙工程,在施工过程中发生塌事故,造成1 0 人死亡,3人受伤。扶壁式挡土墙是一种常用的挡土结构,其结构特点是由一扇扶壁和一根支撑杆组成。在工程实践中，为了确保扶壁式挡土墙的稳定性和安全性，通常需要进行有限元分析。任荣等4 用ANSYS有限元软件对某作者简介：刘国星（1 9 9 3一）,男，硕士，从事桥梁设计工作。58扶壁式挡土墙进行了受力分析，研究显示，扶壁式挡土墙在荷载作用下，结构变形较小，结构应力较低，具有足够的安全储备。朱进城 5 对某扶壁式挡土墙进行了有限元分析，研究显示，扶壁式挡土墙在满足构造尺寸要求的前提下可视为刚体。李炜等 对浙北山区某扶壁式挡土墙进行了有限元分析，研究显示，扶壁式挡土墙适宜在高填方路基防护中使用，可节省项目建设资金。前人对扶壁式挡土墙的研究仅限于标准式、规范式的，而对于异形扶壁式挡土墙的研究还未涉及。实际工程案例中,因场地边界条件的约束,往往会产生某些异形挡土墙。因此，对异形挡土墙的研究很有必要。1工程概述佛山某新建景观桥，因建设需要，人行梯道6 扶壁式挡土墙与桥梁承台产生冲突，故6#节段扶壁式挡土墙在承台处设置断缝。6 扶壁式挡土墙侧墙长边5.142m，短边处3.4 4 9 m，最高处6.7 3m，最低处5.7 37 m，底板宽5.5 m，底板厚6 0 cm，扶壁板呈长方形，连接两道侧墙，扶壁板厚5 0 cm。5 扶壁式挡土墙和6 扶壁式挡墙设置宽2 0 mm沿着承台线的结构分缝。挡土墙采用C30钢筋混凝土结构形式,形状像U槽,U槽扶壁式挡土墙的详细结构尺寸如图1 和图2 所示。2有限元模型有限元分析（FEA）是一种数值分析方法,用于解决工程和物理问题。在扶壁式挡土墙的有限元分析中，可以采用软件模拟的方法，将墙体、支撑杆等结构分割成有限个小元素，通过计算每个元素的受力情况，福建材岩土工程第7 期（总第2 6 7 期）232.1A5扶壁344.9图1U槽扶壁式挡墙平面图（单位：cm）350（2）荷载工况：挡土墙自重；土压力荷载，土514.250232.1沉降缝150,70铁壁，0011275.1105.8压力荷载分为水平土压力和竖向土压力，水平土压力采用流体压力荷载呈现三角形形式加载在侧墙上，竖向土压力采用土体重度公式计算结果竖向加载在挡土墙底板上；人群荷载，采用城市桥梁荷载规范施加竖向荷载3kN/m。（3）边界条件：采用面弹性支承模拟土与挡墙底面，侧面土与挡土墙结构的相互作用,地基系数公式：k=moh（式中,mo为地基竖向抗力系数的比例系数,h为基础埋置深度）。有限元模型如图3所示。C30混凝土挡墙150cm厚扶壁1004027040100挡墙底板图3U槽扶壁式挡墙有限元模型图2U槽扶壁式挡墙横断面（单位：cm）分析整个结构的力学性能。扶壁式挡土墙有限元分析的主要内容包括以下几个方面：地基反力分析：地基反力是扶壁式挡土墙的主要支撑力，需要进行反力分析，以确定其大小和方向；墙体应力分析：对扶壁式挡土墙的墙体进行应力分析，以确定其受力情况和变形情况；模拟分析：采用有限元软件对扶壁式挡土墙进行模拟分析，得出其力学性能，如受力情况、变形情况、破坏形式等。采用专业有限元软件Midas建立模型并进行分析计算。Midas有限元分析基本步骤为：前处理，建立模型；求解，施加荷载计算；后处理，查看结果。利用Midas软件建立有限元模型，底板、侧板扶壁都采用板单元模拟，底板厚6 0 cm，侧板厚4 0 cm，中间扶壁厚5 0 cm。设置单元分割单位0.2 m，采用自由网格划分方式。挡土墙全部采用板单元模拟，共划分2 35 7 个板单元。（1）材料：挡土墙采用C30混凝土。3结果分析3.1变形分析通过计算，提取U槽扶壁式挡墙计算模型的结构位移，如图4 图6 所示。POST-PROCESSORDISPLACEMENTY-方向24.8022.5520.2918.0415.7813.5311.279.026.764.512.250.00CBALL:RCENV_MAX:50MIN:1文件：U槽扶壁式单位：mm图4 U槽扶壁式挡土墙横向位移（单位：mm）MIUAS/UIVII59福建材2023年岩土工程MIDAS/CivilPOST-PROCESSORDISPLACEMENTZ-方向0.00-2,22-4.44-6.66-8.88-11.10-13.32-15.54-17.75-19.97-22.19-24.41MIDAS/CivilPOST-PROCESSORPLNSTS/PLTSTRSSIG-YY上州2.061.661.260.860.450.00-0.35-0.75-1.15-1.55-1.95-2.35CBALL:RCENV_MAX:9MIN:8文件：U槽扶壁式图5U槽扶壁式挡土墙竖向位移（单位：mm）DISPLACEMENT分析维果31.0928.2725.4422.6119.7916.9614.1311.318.485.652.830.00CBALL:RCENV_NAVGNODALMAX：2 1 0 4MIN:1820文件：U槽扶壁式单位：N/mm2图7U槽扶壁式挡土墙横向正应力（单位：MPa）MIDAS/CivilPOST-PROCESSORPLNSTS/PLTSTRSSIG-ZZ上圳4.353.362.361.360.00-0.63-1.63-2.62-3.62-4.62-5.62-6.61CBALL:RCENV_MAX50MIN:9文件：U榴扶壁式单位：mm图6U槽扶壁式挡土墙总位移（单位：mm）由图4 可以看出，U槽扶壁式挡土墙横向最大位移出现在扶壁式挡土墙的墙顶上，最大横向位移约24.8mm，整个扶壁式挡土墙在土压力和人群荷载的作用下发生向外的横向位移，满足公路交通工程设计规范（JTGB01一2 0 1 4）中墙顶的最大位移应 1%墙高的限制要求（5 7 37 0.0 1=5 7.37 mm）。由图5 可以看出，整个计算模型的最大竖向位移约25.43mm，出现在长边墙趾的顶面。长边墙趾竖向位移大于U槽扶壁式挡土墙顶的水平位移。由图6 可以看出，长边墙顶的总位移最大，其最大值约31.0 9 mm，满足JTGB01一2 0 1 4 中水平最大位移1%墙高的限制要求（5 7 37 0.0 1=5 7.37 mm）。3.2应力分析通过计算，提取U槽扶壁式挡墙计算模型的结构应力，如图7 图1 1 所示。60CBALLIRCENV_NAVGNODALMAX:166MIN:958文件：U推扶壁式单位：N/mm个2图8U槽扶壁式挡土墙竖向正应力（单位：MPa）POST-PROCESSORPLNSTS/PLTSTRSSIG-XY上州0.54.0.450.360.270.190.100.00-0.08-0.17-0.25-0.34-0.43CBALL:RCENV_NAVGNODALMAX：1 8 4 3MIN:2087文件：U槽扶壁式单位N/mm2图9 U槽扶壁式挡土墙竖向剪应力（单位：MPa）福建材岩土工程第7 期（总第2 6 7 期）图1 0 U槽扶壁式挡土墙水平向剪应力（单位：MPa）PLNSTS/PLTSTRSSIG-EFF上酬团6.185.625.064.503.933.372.812.251.691.130.570.01CBALL:RCENV_AVGNODALMAX:958MIN:945文件：U槽扶壁式心单位：N/mm2图1 1 U槽扶壁式挡土墙von-Mises（冯米塞斯）应力(单位:MPa)由图7 和图8 可以看出，在横向土压力作用下，挡土墙的长边侧墙与底板交界处的底板产生较大的横向拉应力，其数值为2.35 MPa。而长边和短边侧墙端部则分别存在拉应力和压应力，其拉应力为6.6 1 MPa，压应力为4.35 MPa。此外，由图9 和图1 0 可以看出，长边侧墙与底板交界的端部和短边侧墙与底板交界的端部底板存在最大竖向剪应力,呈反对称分布,其数值为0.5 4 MPa。在接近底板的扶壁位置处,则存在约为0.4 2 MPa的水平剪应力。最后，由图1 1 可以看出，长边侧墙端部存在较大的von-Mises（冯米塞斯）应力，其数值为6.1 8 MPa，需要进行加筋设计。3.3基底压力分析通过提取U槽扶壁式挡土墙的基底反力，根据压强公式P=FIA计算基底压力，式中:P为挡土墙基底反力；A为挡土墙底面划分单元面积；F为挡土墙基底压力。如图1 2 所示，基底最大反力P=7.27kN，取划分单MIDAS/GiVilPOST-PROCESSORPLNSTS/PLTSTRSSIG-YZ上州0.420.380.350.310.270.230.190.150.120.080.040.00CBALL:RC.ENV_NAVGNODALMAX1337MIN:36文件：U增扶壁式POST-PROCESSOR元面积A=0.20.2=0.04m,计算得U槽挡土墙最大基底压力为1 8 1.7 5 kPa,而原状地基土承载力约为9 0 kPa，因此原地基土不能满足承载力要求，挡土墙地基需进行地基处理。图1 2U槽扶壁式挡土墙基底反力（单位：kN）4结论（1）扶壁式挡墙的水平位移一般发生在墙顶位置处，位移最大值31.0 9 mm，满足规范要求规定的水平最大位移 1%墙高的限制。（2）侧墙与底板的交界处，存在复杂的应力现象，竖向正应力分布在侧墙端部，竖向剪应力则分布在侧墙与底板交界处的底板上，扶壁则承受了较大的水平剪应力。（3）侧墙端部存在较大的von-Mises（冯米塞斯）应力，其数值为6.1 8 MPa，挡墙局部需进行加筋设计。（4）通过计算挡土墙基底反力来判断是否需要地基处理,U槽挡土墙最大基底压力为1 8 1.7 5 kPa,而原状地基土承载力约为9 0 kPa，因此原地基土不能满足承载力要求，挡土墙地基需进行地基处理。参考文献1张李明,张伟芳.扶壁式挡土墙在工程中的应用研究.华东公路,2 0 2 0（1）：4 4-4 52吁燃,刘宏力.扶壁式挡土墙在山区高速公路中的应用D交通科技,2 0 1 6（5）：1 0 4-1 0 6.3王石川.黄岛土墙倒塌致1 8 人死亡.安全与健康,2 0 1 4（6：30-31.4任荣,唐杨,何宏彬,等.基于ANSYS的某扶壁式挡土墙空间有限元分析.长江工程职业技术学院学报,2 0 2 0,37（4）：5-8,4