氯离子侵蚀作用下扶壁式挡土墙极限承载能力

杨 关

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院，四川 成都 610021)

氯离子侵蚀作用下扶壁式挡土墙极限承载能力

杨 关

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院，四川 成都 610021)

以某变电站工程扶壁式挡土墙设计案例为对象，根据朗肯土压力理论计算挡土墙后土侧压力，研究在设计使用期内的氯离子扩散及钢筋锈蚀过程，并进行了独立断面和整体结构的极限承载能力研究，为其结构设计和优化提供了依据。

扶壁式挡土墙，钢筋混凝土结构，极限承载能力，土压力，数值模拟

0 引言

钢筋混凝土扶壁式挡土墙多用于支护高填方路段边坡，其耐久性能是结构设计首要考虑的问题。当混凝土表面暴露在自然环境中时，氯盐、水等能通过表面微孔侵入其中，进一步造成内部的钢筋发生锈蚀，使混凝土结构承载能力发生退化。本文根据Fick定律，以混凝土侵蚀模型和钢筋锈蚀模型为基础，通过有限元数值模拟方法模拟钢筋混凝土构件的材料退化过程[1]，从而得到构件的结构性能和工作状态[2]。

本文介绍了钢筋混凝土结构耐久性数值模拟的基本原理和相应的数值软件工具，并以某变电站工程扶壁式挡土墙的扶壁部分为研究对象，评价该钢筋混凝土结构的扶壁部分在钢筋锈蚀状态下的断面和整体结构承载能力。

1 工程概况

本扶壁式挡土墙位于某变电串补站旁填方区。因场地限制，对填方深度较深地段采用钢筋混凝土扶壁式挡土墙进行支护。扶壁式挡土墙设计如图1所示。配置钢筋包括φ40，φ12的主筋。墙体材料采用现浇C30强度混凝土，主筋为HRB400。

2 数值模拟

2.1 计算理论

氯离子侵蚀下的钢筋混凝土构件耐久性退化过程是始于氯离子从混凝土表面侵入混凝土的孔隙结构，进而造成混凝土内部的钢筋发生锈蚀，钢筋锈蚀的同时引起混凝土锈胀开裂及强度下降，进而导致混凝土构件承载能力下降。本文以该过程为基础，介绍了针对这一过程中的关键物理模型，从而实现混凝土构件的承载能力评价。

氯离子在混凝土中的扩散问题一般认为等效于离子在液体中的扩散问题。液体中的离子扩散一般采用Fick第二定律来描述，其表达式为：

(1)

式中：C——混凝土中自由离子浓度，kg/m3；

D——离子扩散系数。

钢筋平均锈蚀速率是指在给定环境中钢筋整个截面的平均锈蚀速率，与局部氯离子浓度、钢筋材料以及钢筋直径、肋纹特征等指标有关。钢筋平均锈蚀模型采用由BIONDINI提出的线性退化模型，使用由涂熙[1]拟合得到的线性比例系数，钢筋线性锈蚀模型的表达式为：

∂δm/∂t=0.004 6·C(x,t)

(2)

式中：δm——钢筋的平均锈蚀度；

∂δm/∂t——钢筋瞬时平均锈蚀速率；

C(x,t)——混凝土内空间坐标为x处在时间t时刻的氯离子浓度。

表层混凝土因锈胀开裂后导致该部分混凝土的强度显著下降。为了简化分析步骤，假定该部分混凝土开裂后不参与工作，将原有混凝土截面扣除后得到缩小的混凝土截面，进而得到偏安全的计算值。

2.2 假设条件和计算参数

挡土墙的扶壁部分主要承受水平方向的土压力，在其结构竖向仅承受自身的自重。因此本文按规范将扶壁部分简化为纯弯构件，分析扶壁部分各个关键断面及挡墙整体的弯曲承载能力。结构计算考虑混凝土和钢筋的材料非线性。

土压力:挡土墙主要承受的外部荷载为侧向土压力。工程上采用的两种土压力计算经典理论为库仑理论(Coulomb theory)和朗肯理论(Rankine theory)[5]。其中，库仑理论计算比较简便，且能适用于各种复杂边界的情况，其计算精度能满足工程需要。根据本文背景工程的勘测及设计资料，墙后填土为砂类土，内摩擦角标准值为φk=35°，重度γ=20.5 kN/m3，填土水平且无地下水。结构设计考虑为墙后静止土压力，静止土压力系数K0=1-sin35°=0.426。

因此计算可得扶壁土压力最大值为：

qmax=ln(H1-ln/2)K0=266.75 kN/m

(3)

结构设计考虑墙后静止土压力分布按图2所示取值。其中，最大值以下部分的实际土压力分布曲线为凸曲线，为计算方便将其简化为图中虚线所示直线。

2.3 计算模型和边界条件

扶壁式挡土墙的耐久性评价工作分为两个部分：首先按构件断面为单位进行氯离子扩散模拟和钢筋锈蚀评价，其次进行结构承载能力评价，并比较关键断面承载力和整体承载力的差异。评价扶壁式挡土墙共选取21个关键断面进行截面抗弯承载能力分析(见图3)。

针对扶壁式挡土墙的扩散模拟过程设定为100年。混凝土中自由氯离子扩散系数取2×10-13m2/s。氯离子边界条件按文献[6]将扶壁式挡土墙氯离子边界浓度设定为0.41%。边界条件设置在挡土墙与外部环境直接接触的表面上。

2.4 计算结果

关键断面首先进行初步分块，再以四边形单元进行映射网格划分以形成规整的标准网格。数值模拟计算得到混凝土中各点的氯离子相对浓度，即各点浓度值与边界条件上的数值之比(如图4所示)。

在全截面侵蚀浓度分布的基础上，根据截面内每根钢筋的位置，插值得到钢筋位置侵蚀浓度的演变历程，如图5所示。引入实际氯离子浓度边界条件后，计算得到钢筋在分析周期内的锈蚀历程(见图6)。

通过材料非线性迭代计算，得到挡土墙各关键断面的弯曲承载力随时间的退化历程(见图7)。计算结果表明断面承载力的整体退化过程呈先平缓后加速的下降趋势。

扶壁式挡土墙主要受力在其构件受弯方向，因此简化其侧向的网格划分，保证纵向的网格质量，模型状态如图8所示。

针对整体结构的加载模式为按比例将墙后标准土侧压力放大至结构失效，从而得到挡土墙整体结构进入材料非线性阶段的极限承载能力，定义此时的放大比例为该荷载放大系数，其随时间的演变历程如图9所示。

以受弯承载能力安全系数的初始值为基数，可得到整体结构在各时点的极限承载能力相对值，并将该值与关键截面承载力相对值进行比较，如图10所示。由于断面构造和边界条件的不同，断面受拉区钢筋对外部侵蚀的敏感性不同，挡土墙顶部断面承载力的退化发展比底部断面较快。

3 结论和建议

本文介绍了采用数值模拟手段评价扶壁式挡土墙的结构承载能力的方法。外部氯离子侵蚀作用下，扶壁式挡土墙结构在使用期内的承载能力为逐步降低规律，相应的安全储备下降。由于边界条件不同，扶壁式挡土墙不同位置断面的承载能力退化趋势不同，根据不同位置承载能力的退化速率不同，建议增加顶部断面的混凝土保护层厚度。

[1] 涂 熙.钢筋混凝土桥梁氯离子侵蚀及其结构耐久性数值分析方法[D].上海:同济大学,2012.

[2] Biondini F.,Bontempi F.,Frangopol D.M.,et al.Cellular Automata Approach to Durability Analysis of Concrete Structures [J].Journal of Structural Engineering,ASCE,2004，130(11):1724-1737.

[3] Zhang,R.，Castel,A.Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride-induced corrosion process[J].Cement and Concrete Research,2010，40(3)：415-425.

[4] Sanchez,P.J.,Huespe,A.E.Mesoscopic model to simulate the mechanical behavior of reinforced concrete members affected by corrosion[J].International Journal of Solids and Structures,2010，47(5)：559-570.

[5] 顾慰慈.挡土墙土压力计算 [M].北京：中国建材工业出版社,2001.

[6] 何立坤.氯离子侵蚀作用下钢筋混凝土桥梁耐久性退化全过程数值模拟[D].天津：天津大学,2011.

The ultimate bearing capacity of buttressed retaining wall under the chloride ion erosion

YANG Guan

(SouthwestElectricPowerDesignInstitute,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Chengdu610021,China)

Taking the buttressed retaining wall design case of a transformer substation engineering as the object, according to the Rankine soil pressure theory calculation of last earth pressure of retaining wall, researched the chloride ion diffusion and reinforced corrosion process in design trial period, and researched the ultimate bearing capacity of independent section and overall structure, provided basis for structure design and optimization.

buttressed retaining wall, reinforced concrete structure, ultimate bearing capacity, soil pressure, numerical simulation

2014-11-22

杨 关(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)04-0039-03

TU476.4

A