悬臂式挡土墙中凸榫的作用分析★

李卫国 邵先锋 汪东林

(1.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230071; 2.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

悬臂式挡土墙是工程中常用的一种挡土墙型式，一般由立臂式面板、墙趾板、墙踵板三部分组成，依靠底板上部填土与墙身的自重来维持挡土墙的安全与稳定[1,2]。通常可在挡土墙底部加设抵抗滑动的凸榫(或称齿坎)，用以提高挡土墙的抗滑系数。如位于崇福镇的杭申线河道改线工程中，挡土墙底部采用凸榫进行了改进，提高了挡土墙的稳定性、减小了挡土墙位移，降低了工程造价[3]。屠毓敏与余亚南通过试验研究表明：尽管凸榫较短，但其对挡土结构物的抗滑作用较大[4-6]。尽管工程实践中能体会到凸榫对提高挡土墙的抗滑稳定性有作用，但现行相关计算理论与计算方法中，无法定量的考察凸榫的作用，仅把凸榫视为一种有益的构造措施。为此，本文基于有限元方法，对前凸榫、后凸榫的作用进行了分析，考察了凸榫式挡土结构物与墙后填土共同作用下的抗滑特征，为合理考虑凸榫的作用提供参考。

1 数值计算模型

按照相关规范，悬臂式挡土墙的高度一般不宜超过6 m；当悬臂式挡土墙的高度大于4 m时，宜在墙面板前加肋。可在底板设置凸榫用来提高挡土墙的整体稳定性。

现针对某一设有凸榫的悬臂式挡土墙进行稳定性分析。该挡土墙墙趾板、墙踵板、立臂的厚度均为0.50 m，墙踵板宽度为1.50 m，墙趾板宽度1.00 m，填土的高度为3.5 m。凸榫宽度为0.5 m，前凸榫高度，后凸榫高度见图1。

可把挡土墙视为平面应变问题进行分析。填土与地基土层采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型；挡土墙按线弹性材料模拟。地基土Ⅰ的厚度为3 m，挡土墙的底板坐落在地基土Ⅰ中，各土层的计算参数见表1。

为了消除边界条件对有限元数值计算的影响，可把计算范围取大些。数值计算的边界条件为：计算边界两侧的水平位移为0，底部边界的水平位移与竖向位移均为0。采用三角形单元对计算区域进行网格剖分，h1=0.5 m，h2=0 m情况下的网格剖分情况如图2所示。

表1 各土层计算参数

通常，填方工程中挡土墙先行施工后续再填土，故可认为挡土墙的固结变形在填土施工时已完成。有限元计算时可通过激活填土计算单元模拟填土施工的开展。

有限元计算方法中，采用对土体强度参数进行同步折减的方法来计算挡土墙的稳定性[7]，已有大量文献表明[8,9]该方法分析挡土墙的稳定性具有较高的精度。

2 计算结果分析

基于有限元方法，对前凸榫、后凸榫的不同长度取值进行变换对比计算，得到了各种工况的滑裂面位置及位移增量分布情况，如图3，图4所示。各种工况下的挡土墙安全系数Fs见表2。

表2 凸榫布置方式对挡土墙稳定性的影响

由分析可知，挡土墙无凸榫时(h1=h2=0 m)的安全系数Fs=1.362，挡土墙底板设置凸榫后稳定性均有大幅度的增加，说明设置凸榫对提高挡土墙安全性具有明显的作用。

当仅设置前凸榫时，凸榫长度为1.0 m时的安全系数比凸榫长度为0.5 m时的安全系数增加7.1%；当仅设置后凸榫时，凸榫长度为1.0 m时的安全系数比凸榫长度为0.5 m时的安全系数增加7.7%，说明挡土墙的稳定性随着凸榫长度的增加而有所提高。

凸榫长度同为0.5 m时，凸榫设于墙踵板的安全系数比设于墙趾板的安全系数增加6.6%；凸榫长度同为1.0 m时，凸榫设于墙踵板的安全系数比设于墙趾板的安全系数增加7.2%。可见，凸榫位于墙踵板边缘处的作用更大。

若同时设置前凸榫与后凸榫h1=h2=0.5 m，其与单独设置后凸榫h1=0.5 m，h2=0 m的安全系数基本相当，即此时前凸榫对提高挡土墙的稳定性作用不明显。故不建议挡土墙同时设置前凸榫与后凸榫。

上述稳定性的变化规律，可从图3所示的滑裂面分布中得到印证。一般地，相同条件下滑裂面越长挡土墙的稳定性越大。凸榫的存在改变了滑裂面的位置与长度，其使滑裂面长度变得越大时，对提高挡土墙稳定性的作用就越大。

3 结语

挡土墙底板设置凸榫对提高挡土墙的稳定性具有较大的作用，凸榫的长度越大，对提高挡土墙的稳定性越有利。凸榫设于墙踵板的安全系数比设于墙趾板的安全系数更大。设置凸榫改变了填土中滑裂面的走向，使滑裂面的长度增大，从而达到了提高挡土墙稳定性的作用。