交通荷载作用下悬臂式挡土墙力学特性研究

徐庶德

（中铁二十五局集团第一工程有限公司，广州 510405）

1 引言

随着经济社会的快速发展，交通运输事业突飞猛击。作为最重要的交通运输方式之一，公路运输迎来了新的发展机遇。作为公路运输的重要载体，公路工程建设的需求亦日益增长。在公路建设中，挡土墙结构是最常用的支挡结构物，常见的挡土墙有多种结构形式，如重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式等[1]，如图1 所示。

图1 公路挡土墙常见的结构形式

重力式挡土墙一般用块石、砖或者素混凝土筑成，主要依靠挡土墙本身所受的重力保持稳定，通常用于墙高小于5 m的低挡土墙，其特点主要是结构简单，施工方便，施工工期短，能就地取材，对地基承载力要求高，工程量大，沉降量大。悬臂式挡土墙多用钢筋混凝土施工而成，其稳定性主要依靠墙踵悬臂以上的土所受重力维持，它的悬臂部分的拉应力由钢筋来承受，适用于地基土质差且墙高低于5 m 的工程。其特点是截面尺寸小，施工方便，对地基承载力要求不高，工作面较大。当挡土墙的高度大于10 m 时，为了增加悬臂抗弯刚度，沿墙长纵向每隔0.8～1.0 m 设置1 道扶壁，称为扶壁式挡土墙，其特点是工程量小，对地基承载力要求不高，工艺较悬臂式复杂。锚杆式挡土墙是指主要由预制的钢筋混凝土柱、挡土板构成的墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的岩层或土层中。墙后侧压力由挡土板传给立柱，由锚杆与岩体之间的锚固力，即锚杆的抗拔力，使墙获得稳定，其特点是结构轻、柔性大，工程量少、造价低，施工工艺较复杂，适用于地基承载力较低、墙高较大的重要工程[2-4]。

如前所述，不同结构形式的挡土墙具有不同的特点和适用条件，悬臂式挡土墙在公路工程建设中应用较为广泛。为此，本文将以某高速公路工程中所采用的悬臂式挡土墙为工程背景，基于通用有限元软件ABAQUS 建立三维数值模型，系统地研究交通荷载作用下悬臂式挡土墙的变形与内力分布规律。

2 悬臂式挡土墙数值模型

本文数值模型基于通用有限元软件ABAQUS 开展。作为世界著名的大型通用有限元软件之一，可以分析非常复杂的固体力学和结构力学问题，能够使复杂模型可视化，对高度非线性问题可以最大限度地收敛处理。相比其他有限元软件，ABAQUS 具有以下3 方面优势：（1）可以对高度非线性问题进行求解，且可对复杂非线性材料本构进行模拟；（2）对各向异性材料、非均质问题处理方便；（3）对各种复杂边界条件适应性好，且包含了丰富的单元种类和材料库。

在建模过程中，墙后土体采用摩尔库伦模型[5]。摩尔库伦模型主要适用于单调荷载作用下的颗粒状材料力学行为的模拟，广泛应用于与岩土相关的工程中[6]。

摩尔库伦本构模型的屈服面函数为：

式中，Rmc为剪切强度，取值与φ 有关；φ 为摩擦角，取值范围为0°～90°；c 为材料的黏聚力；p 为压力。

本文建立的悬臂式挡土墙有限元模型如图2 所示。

图2 悬臂式挡土墙-土体相互作用有限元模型

3 交通荷载作用下悬臂式挡土墙力学特性分析

为分析交通荷载作用下悬臂式挡土墙的力学特性，基于所建立的悬臂式挡土墙-土体相互作用模型分别研究了悬臂式挡土墙的变形与受力特性。图3 给出了交通荷载作用下悬臂式挡土墙在x 方向与z 方向的位移分布，图4 给出了悬臂式挡土墙在x 方向与z 方向的应力分布。

图3 交通荷载作用下悬臂式挡土墙位移分布（单位：m）

图4 交通荷载作用下悬臂式挡土墙应力分布（单位：Pa）

由图3 可以发现，在交通荷载作用下，悬臂式挡土墙的立板在水平方向与悬臂梁类似，即墙顶变形较大，立板与底板连接处变形较小。在纵向，悬臂式挡土墙的位移变化较小，整个结构呈现“刚体运动”特征，这是由于挡土墙的纵向位移主要是由墙周土体变形所引起的，结构本身变形相对土体变形导致的变位较小。另外，通过图4 可以看出，悬臂式挡土墙的根部应力较大，这是由于在墙后土压力作用下，挡土墙根部弯矩较大，进而导致应力较其他位置更大，通过纵向应力分布结果可以发现，悬臂式挡土墙在墙后土压力作用下，其立板应力分布特征与悬臂梁亦类似[7-9]。

4 结语

本文以某高速公路建设所采用的悬臂式挡土墙为工程背景，采用数值方法研究了交通荷载作用下悬臂式挡土墙的力学特性。研究发现，悬臂式挡土墙的立板在水平方向呈现墙顶变形大、墙底变形小的趋势，且在墙后土压力作用下其立板的应力分布特征与悬臂梁类似。期望相关成果能为悬臂式挡土墙建造提供参考。