桩承扶壁式挡墙有限元分析

桩承扶壁式挡墙有限元分析

徐游1王莘晴2

徐游1王莘晴2

1.四川交通职业技术学院四川成都610003

[摘要]随着城镇一体化的发展，道路工程中频现高填方，高填方填土规模大、碾压效果不易控制且后期沉降难以预测，传统支挡结构难以满足其沉降及承载力要求，致使挡墙因沉降拉裂失效。联合支挡结构—桩承扶壁式挡墙可解决填方区域沉降过大及不均匀等问题。本文以实际工程为例，采用midasGTS软件，对传统扶壁式挡墙和桩承扶壁式挡墙分别建模进行数值模拟，并分析受力特点，为工程建设中新型支挡结构设计提供参考。

[关键词]道路工程；土体沉降；数值模拟；桩承扶壁式挡墙；桩墙体系

0前言

道路工程中存在大量挖填工作，传统支挡结构如悬臂式挡墙、扶壁式挡墙和加筋土挡墙，属柔性支挡结构，可适应地基土体微量变形，适用于填方区域[1-3]；而高填方工程，由于填土高度多超过18m，施工过程土体压实效果难以控制，且自重作用固结沉降历时长久，土体不均匀沉降导致挡墙失效事故时有发生，如何对高填方土体进行支挡，并保证保证车辆行人安全，成为道路工程支挡结构研究的重点[4-5]。

随着新型支挡结构的发展，支挡结构设计理念和形式不断被优化改进[6]。桩承扶壁式挡墙作为联合支挡结构，可有效解决填方区域不均匀沉降问题。但国家设计标准对其计算方法和设计流程尚未统一规范，传统设计方法常将桩基—承台视为连梁进行配筋设计[7-9]，本文结合实际工程，对桩承扶壁式当挡墙和扶壁式挡墙分别建立数值模型进行模拟，分析其受力状态及地基沉降差异。

1工程概况

某公路工程所在地属典型黄土地貌单元，地形破碎且区内发育小型滑坡、黄土陷穴、冲沟、切沟等不良地质作用。按规划道路依地形、就地势呈阶梯式布置于填方土体上，共划分为三级台阶，阶梯高差均为8m。依勘察报告，场地自上而下地层分别为：人工填土(Q4ml)、新近堆积黄土(Q4eol)、黄土状土(Q4al)、马兰黄土(Q3eol)、古土壤(Q3eol)、离石黄土(Q2eol)、古土壤(Q2eol)、离石黄土(Q2eol)、砂质泥岩(K)、砂岩(K)。

2数值模拟

2.1计算模型的建立

桩承扶壁式挡墙按工程实际进行截面设计，模型坐标轴取在横断面中心，Z轴正方与重力方向相反[10]。挡土墙高9.5m，埋深2m，立面板宽0.4m，墙趾宽1.6m，墙踵宽3.5m，底板高1m，扶肋间距3.5m，扶肋厚0.4m，扶壁两端墙面板宽1.5m；挡土墙底板，按规范每10m设置伸缩缝一道，其下布置灌注桩两排四列，桩横向间距3.5m，距离上下边缘均为1m，桩纵向间距2.4m，距离左右边缘均为1.4m。桩长20m打入古土壤。建立传统扶壁式当挡墙模型，其中挡墙结构尺寸同上，其下方不设置桩基础。

2.2模拟理论

在桩墙体系工作过程中，将每根桩按照模型试验尺寸建成实体单元，考虑抗滑移力主要为墙底与地基土之间摩阻力，故采用桩基复合地基法进行模拟。复合地基的机理是充分调动桩间土和桩共同承担荷载[10]。复合地基当做摩尔库仑材料，其相关物理参数取值见表1。

表1复合地基计算参数

材料E(MPa)νγ(kN/m3)c(kPa)φ(o)

复合地基125000.22025000

2.3计算参数选取

考虑暴雨工况，根据勘查资料对挡墙后方人工填土、地基土、古土壤三种土体的物理力学参数进行选取，具体材料力学参数取值如表2所示：

3模拟结果分析

3.1沉降云图对比分析

设置相同地层条件，保证外荷载及填土作用不变，扶壁式挡墙沉降云图如图1所示；桩承扶壁式挡墙沉降云图如图2所示。现对其对比分析：

图1为填方区采用传统扶壁式挡墙模型建立，可知，挡墙下方总体沉降量较大，趾板和踵板处存在较大不均匀沉降，主要是由于墙踵板上方存在7.5米高的人工填土，致使该部位沉降量偏大，随着填土深度的增加不均匀沉降的趋势也愈发明显，直至距离墙踵板12m处，累计不均匀沉降达到峰值。从图2中可以看出，桩承扶壁式挡墙下方填土总体沉降量较小，且分布均匀。

表2模型试验材料计算参数表

对上图进行对比分析可知，两者在墙面板和扶肋上应力分布趋势基本一致，而两者在挡墙底板上应力分布则迥然不同，图3显示，传统扶壁式挡土墙底板上方大面积出现拉应力，原因是挡墙后方填土高度较大，使主动土压力产生较大的倾覆力矩。底板上层拉应力的大量分布，表明挡土墙自身稳定或处于极限平衡状态，较大的拉应力长时间作用或致使挡墙失效，挡土墙的长期使用安全不能得到保证；图4显示，桩墙体系中趾板主要分布为压应力，墙踵板上方与墙面板交界处出现拉应力，表明挡土墙处于正常使用状态。对于踵板上部基桩周围局部分布的拉应力，主要是桩墙体系共同作用的结果，桩墙体系工作过程中，底板上存在应力重分布，位于墙踵板下方的排桩，在抗倾覆力矩较大的情况下或可提供一定抗拔力；可增加桩墙体系抗倾覆能力，增强结构抗震性，这是桩承扶壁式挡墙的显著优越性。

4模拟结论

1.桩承扶壁式挡墙可有效减小地基土体最大变形量，模拟结果显示，桩基础的应用可使地基土体最大变形量从394.86mm减小至120.37mm；同时，桩承扶壁式挡墙的应用，可提高挡墙整体稳定性，增加安全储备。

2.由数值模拟结果可知，桩墙体系共同作用过程中，桩基础可与上部挡墙共同作用，在挡土墙底板上发生应力重分布，应力充分布可改善挡土墙自身受力状态，在倾覆力矩较大的情况下，位于墙踵板下方的排桩，将提供抗拔力，以保证桩墙体系整体稳定。故对桩墙体系设计中，应考虑踵板处桩的抗拔作用。

3.作为新型支挡结构，桩承扶壁式挡墙尚未形成详细设计流程和规范供设计者参考，但由模拟结果可知，桩墙体系在设计计算中，由于踵板下方桩体存在抗拔力，传统连梁设计法难以满足设计要求，为保证工程安全可靠，设计过程中需对其进行严格抗弯抗扭验算。

参考文献

[1]王卫华.重力式、悬臂式、扶壁式挡土墙结构优化设计与选型[D].兰州：

兰州理工大学,2005

[2]井玉国.超限钢筋混凝土扶壁式挡土墙的研究与应用[D].济南：山东大学,

2007

[3]SangchulBang.ActiveEarthPressureBehindWalls[M].Journalof

GeotechnicalEngineering，ASCE,1985,111(3):751-761

[4]陈忠达,公路挡土墙设计[M].北京：人民交通出版社,1999.10

[5]范永丰.公路挡土墙的设计方法及优化研究[D].长沙：湖南大学,2003

[6]周恒宇.锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究[D].成都：西南交通大

学,2010

[7]李广信.加筋土应力变形计算的新途径[J].岩土工程学报.1994,57(6):55-63

[8]周景星.基础工程[M].北京：清华大学出版社，2006

[9]SokolovV.M.．Somecharacteristicsoftheformationofdesignloadson

counterfortretainingwalls[J].HydrotechnicalConstruction,1982，15(11)：712-714

[10]潘锋.柔性支护深基坑的有限元模拟分析[D].合肥：合肥工业大学,2009

作者简介：徐游，1966.4出生，四川交通职业技术学院，副教授，长期从事建筑设计质量检测等方面工作