扶壁椅式挡土墙有限元分析★

卢昱宏 罗 鑫 梁凌川

(湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007)

近年来国内外学者对新型支挡结构的特性展开了许多研究。白皓[1-3]对椅式桩板结构的工作机理进行了深入的分析，运用ABAQUS有限元软件建立了椅式桩板挡土墙的三维数值模型，对结构的内力变形、岩土体作用及主要影响因素进行了分析。张长江[4]对桩基扶壁式挡土墙的受力特点进行分析，并提出了桩基扶壁式挡土墙的理论计算模型，通过有限元软件Phase2D建立实际工程的数值模型，并对数值计算结果进行分析。张礼财[5]、姚裕春[6,7]对椅式桩板结构的结构力学特性进行了分析，张礼财认为椅式桩板支挡结构中的横梁是整个结构受力最薄弱的构件，桩的悬臂段土压力为抛物线分布，椅式桩板整体结构具有较强的抗变形能力和整体协同性，能有效维持陡坡的稳定。

本文通过有限元软件ABAQUS对扶壁椅式挡土墙进行模拟，研究桩和挡土墙的内力变化、位移变化以及扶壁椅式挡土墙设计要点，为扶壁椅式挡土墙的设计提供了依据。

1 扶壁椅式挡土墙模型的建立

1.1 模型设计参数

有限元模型由地基、填土以及扶壁椅式挡土墙三个部分组成，地基和填土均为宽10 m粘性土，其中地基深20 m，填土高12 m，扶壁椅式挡土墙采用钢筋混凝土结构，扶壁椅式挡土墙由桩和扶壁式挡土墙构成，其中椅式桩包括两根主桩和两根副桩，主桩和副桩均采用边长为1.2 m的方桩，桩距为5.8 m，排距为7.2 m，桩的上方设置宽度为10 m、厚度为0.6 m的承台板，承台与桩刚性连接可有效提高支挡结构的整体稳定性。在承台的上方设置竖向挡土板和扶壁，其中扶壁设计为直角梯形，上底和下底长度分别为0.5 m和7.4 m，挡土板宽度为10 m，厚度为0.6 m，扶壁的厚度为0.3 m，扶壁与挡土板以及扶壁与承台进行刚性连接。在支挡结构以及地基的上方设置宽10 m，高12 m的填土。结构的详细尺寸如图1所示。

1.2 有限元模型的建立

地基和填土采用摩尔—库仑模型，扶壁椅式挡土墙采用C40混凝土进行建模，土体和挡土墙的材料参数如表1所示。在荷载和约束设置时，仅考虑重力荷载对结构的影响，约束方式如图2所示，在地基底面设置完全约束，在土体的侧面设置单向约束使土体外表面只产生竖向位移。扶壁椅式挡土结构与地基土和填土之间存在着复杂的接触关系，在接触分析中选择扶壁椅式挡土结构为主表面，土体作为从表面，在接触属性中定义法向分量和切向分量，其中切向行为中定义罚函数摩擦系数为0.6；由于桩的底部与土体始终相连接，所以在桩底与土体进行绑定设置。

表1 力学参数表

土体与支挡结构之间存在复杂的非线性接触问题，容易造成计算结果不收敛，所以试件采用八节点的三维实体单元进行网格划分，地基和填土网格精度设置为2 m，扶壁椅式挡土墙网格精度为1 m，如图2所示。

2 有限元结果分析

2.1 扶壁椅式挡土墙位移变化

图3，图4显示了扶壁椅式挡土墙的竖向位移云图以及主桩与副桩不同位置的竖向位移变化，由于扶壁椅式挡土墙的重心偏向于主桩一侧，在重力的作用下主桩的竖向位移略大于副桩的竖向位移，图4显示了主桩与副桩的竖向位移变化趋势，由图4可知,当桩深度相同时，主桩的竖向位移相对于副桩平均高出约0.88 mm，且主桩和副桩都随着在地基中深度的增加竖向位移有微小的降低。

2.2 扶壁椅式挡土墙应力分析

扶壁椅式挡土墙挡板应力云图如图5所示，挡板应力从下至上逐渐减小，如图6所示，最大应力出现在挡板与承台交界处，受中间扶壁的影响，挡板内外两侧的应力值相差不大，在填土高度为2 m向上时，应力减小的趋势变缓。承台的应力从靠近挡板处向外表现出先出现少量降低再大幅上升的趋势，承台最大主应力出现在承台的边缘，其最大值为7.78 MPa，如图7所示。受桩基的影响，在承台与桩交界处会产生较大的拉应力，因此在结构设计时连接部位应进行加强处理。由应力云图可以看出抗滑桩的应力随着桩深度的增加其应力值逐渐降低。

3 结语

本文通过有限元软件ABAQUS建立扶壁椅式挡土墙计算模型，研究扶壁椅式挡土墙在自身重力和填土重力的作用下，对结构的位移、变形的影响，得如下结论：1)主桩从桩底向上水平位移逐渐增加，但在主桩与承台交界处出现转折，在承台向上，水平位移增长量减小。由于扶壁椅式挡土墙重心偏向于主桩一侧，使主桩与副桩的竖向位移不同，在桩的同一水平位置，主桩竖向位移比副桩的竖向位移高出约0.88 mm。2)挡土板应力从下向上逐渐降低，在填土高度为2 m处降低趋势减缓，承台的最大应力出现在距挡土板较远处。