懸臂式擋土墻中凸榫的作用分析★

李衛(wèi)國(guó) 邵先鋒 汪東林

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230071; 2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

懸臂式擋土墻是工程中常用的一種擋土墻型式，一般由立臂式面板、墻趾板、墻踵板三部分組成，依靠底板上部填土與墻身的自重來(lái)維持擋土墻的安全與穩(wěn)定[1,2]。通?？稍趽跬翂Φ撞考釉O(shè)抵抗滑動(dòng)的凸榫(或稱(chēng)齒坎)，用以提高擋土墻的抗滑系數(shù)。如位于崇福鎮(zhèn)的杭申線河道改線工程中，擋土墻底部采用凸榫進(jìn)行了改進(jìn)，提高了擋土墻的穩(wěn)定性、減小了擋土墻位移，降低了工程造價(jià)[3]。屠毓敏與余亞南通過(guò)試驗(yàn)研究表明：盡管凸榫較短，但其對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物的抗滑作用較大[4-6]。盡管工程實(shí)踐中能體會(huì)到凸榫對(duì)提高擋土墻的抗滑穩(wěn)定性有作用，但現(xiàn)行相關(guān)計(jì)算理論與計(jì)算方法中，無(wú)法定量的考察凸榫的作用，僅把凸榫視為一種有益的構(gòu)造措施。為此，本文基于有限元方法，對(duì)前凸榫、后凸榫的作用進(jìn)行了分析，考察了凸榫式擋土結(jié)構(gòu)物與墻后填土共同作用下的抗滑特征，為合理考慮凸榫的作用提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

按照相關(guān)規(guī)范，懸臂式擋土墻的高度一般不宜超過(guò)6 m；當(dāng)懸臂式擋土墻的高度大于4 m時(shí)，宜在墻面板前加肋?？稍诘装逶O(shè)置凸榫用來(lái)提高擋土墻的整體穩(wěn)定性。

現(xiàn)針對(duì)某一設(shè)有凸榫的懸臂式擋土墻進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該擋土墻墻趾板、墻踵板、立臂的厚度均為0.50 m，墻踵板寬度為1.50 m，墻趾板寬度1.00 m，填土的高度為3.5 m。凸榫寬度為0.5 m，前凸榫高度，后凸榫高度見(jiàn)圖1。

可把擋土墻視為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。填土與地基土層采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型；擋土墻按線彈性材料模擬。地基土Ⅰ的厚度為3 m，擋土墻的底板坐落在地基土Ⅰ中，各土層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

為了消除邊界條件對(duì)有限元數(shù)值計(jì)算的影響，可把計(jì)算范圍取大些。數(shù)值計(jì)算的邊界條件為：計(jì)算邊界兩側(cè)的水平位移為0，底部邊界的水平位移與豎向位移均為0。采用三角形單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，h1=0.5 m，h2=0 m情況下的網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

表1 各土層計(jì)算參數(shù)

通常，填方工程中擋土墻先行施工后續(xù)再填土，故可認(rèn)為擋土墻的固結(jié)變形在填土施工時(shí)已完成。有限元計(jì)算時(shí)可通過(guò)激活填土計(jì)算單元模擬填土施工的開(kāi)展。

有限元計(jì)算方法中，采用對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行同步折減的方法來(lái)計(jì)算擋土墻的穩(wěn)定性[7]，已有大量文獻(xiàn)表明[8,9]該方法分析擋土墻的穩(wěn)定性具有較高的精度。

2 計(jì)算結(jié)果分析

基于有限元方法，對(duì)前凸榫、后凸榫的不同長(zhǎng)度取值進(jìn)行變換對(duì)比計(jì)算，得到了各種工況的滑裂面位置及位移增量分布情況，如圖3，圖4所示。各種工況下的擋土墻安全系數(shù)Fs見(jiàn)表2。

表2 凸榫布置方式對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的影響

由分析可知，擋土墻無(wú)凸榫時(shí)(h1=h2=0 m)的安全系數(shù)Fs=1.362，擋土墻底板設(shè)置凸榫后穩(wěn)定性均有大幅度的增加，說(shuō)明設(shè)置凸榫對(duì)提高擋土墻安全性具有明顯的作用。

當(dāng)僅設(shè)置前凸榫時(shí)，凸榫長(zhǎng)度為1.0 m時(shí)的安全系數(shù)比凸榫長(zhǎng)度為0.5 m時(shí)的安全系數(shù)增加7.1%；當(dāng)僅設(shè)置后凸榫時(shí)，凸榫長(zhǎng)度為1.0 m時(shí)的安全系數(shù)比凸榫長(zhǎng)度為0.5 m時(shí)的安全系數(shù)增加7.7%，說(shuō)明擋土墻的穩(wěn)定性隨著凸榫長(zhǎng)度的增加而有所提高。

凸榫長(zhǎng)度同為0.5 m時(shí)，凸榫設(shè)于墻踵板的安全系數(shù)比設(shè)于墻趾板的安全系數(shù)增加6.6%；凸榫長(zhǎng)度同為1.0 m時(shí)，凸榫設(shè)于墻踵板的安全系數(shù)比設(shè)于墻趾板的安全系數(shù)增加7.2%。可見(jiàn)，凸榫位于墻踵板邊緣處的作用更大。

若同時(shí)設(shè)置前凸榫與后凸榫h1=h2=0.5 m，其與單獨(dú)設(shè)置后凸榫h1=0.5 m，h2=0 m的安全系數(shù)基本相當(dāng)，即此時(shí)前凸榫對(duì)提高擋土墻的穩(wěn)定性作用不明顯。故不建議擋土墻同時(shí)設(shè)置前凸榫與后凸榫。

上述穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可從圖3所示的滑裂面分布中得到印證。一般地，相同條件下滑裂面越長(zhǎng)擋土墻的穩(wěn)定性越大。凸榫的存在改變了滑裂面的位置與長(zhǎng)度，其使滑裂面長(zhǎng)度變得越大時(shí)，對(duì)提高擋土墻穩(wěn)定性的作用就越大。

3 結(jié)語(yǔ)

擋土墻底板設(shè)置凸榫對(duì)提高擋土墻的穩(wěn)定性具有較大的作用，凸榫的長(zhǎng)度越大，對(duì)提高擋土墻的穩(wěn)定性越有利。凸榫設(shè)于墻踵板的安全系數(shù)比設(shè)于墻趾板的安全系數(shù)更大。設(shè)置凸榫改變了填土中滑裂面的走向，使滑裂面的長(zhǎng)度增大，從而達(dá)到了提高擋土墻穩(wěn)定性的作用。