桩承扶壁式挡墙有限元分析

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1、桩承扶壁式挡墙有限元分析徐游1王莘晴21.四川交通职业技术学院四川成都610003［摘要］随着城镇一体化的发展，道路工程中频现高填方，高填方填土规模大、碾压效果不易控制且后期沉降难以预测，传统支挡结构难以满足其沉降及承载力要求，致使挡墙因沉降拉裂失效。联合支挡结构一桩承扶壁式挡墙可解决填方区域沉降过大及不均匀等问题。木文以实际工程为例，采用midasGTS软件，对传统扶壁式挡墙和桩承扶壁式挡墙分别建模进行数值模拟，并分析受力特点，为工程建设中新型支挡结构设计提供参考。［关键词】道路工程；土体沉降；数值模拟；桩承扶壁式扔墙；桩墙体系0前言道路工程中存在大量挖填工作，传统支挡结构如悬臂式挡墙、扶

2、壁式挡墙和加筋土捫墙，属柔性支扔结构，可适应地基土体微量变形，适用于填方区域［1-3］;而高填方工程，由于填土高度多超过18m，施工过程土体压实效果难以控制，且自重作用固结沉降历时长久，土体不均匀沉降导致挡墙失效事故时有发生，如何对高填方土体进行支挡，并保证保证车辆行人安全，成为道路工程支扔结构研究的重点［4-5］。随着新型支挡结构的发展，支挡结构设计理念和形式不断被优化改进［6］。桩承扶壁式捫墙作为联合支捫结构，可有效解决填方区域不均匀沉降问题。但国家设计标准对其计算方法和设计流程尚未统一规范，传统设计方法常将桩基一承台视为连梁进行配筋设计［7-9］,木文结合实际工程，对桩承扶壁式当挡墙和

3、扶壁式捫墙分别建立数值模型进行模拟，分析其受力状态及地基沉降差异。1工程概况某公路工程所在地属典型黄土地貌单元，地形破碎且区内发育小型滑坡、黄土陷穴、冲沟、切沟等不良地质作用。按规划道路依地形、就地势呈阶梯式布置于填方土体上，共划分为三级台阶，阶梯高差均为8m。依勘察报告，场地自上而下地层分别为：人工填土(Q4ml)、新近堆积黄土(Q4eol＞、黄土状土(Q4al)、马兰黄土(Q3eol)、古土壤(Q3eoQ、离石黄土(Q2eol＞、古土壤(Q2eol)、离石黄土(Q2eol)、砂质泥岩(K)、砂岩(K)。2数值模拟2.1计算模型的建立桩承扶壁式挡墙按工程实际进行截面设计，模型坐标轴取在横断

4、面中心，Z轴正方与重力方向相反［10］。挡土墙高9.5m,埋深2m，立面板宽0.4m,墙趾宽1.6m,墙踵宽3.5m,底板高lm,扶肋间距3.5m,扶肋厚0.4m,扶壁两端墙面板宽1.5m;挡土墙底板，按规范每10m设置伸缩缝一道，其下布置灌注桩两排四列，桩横向间距3.5m，距离上下边缘均为lm,桩纵向间距2.4m，距离左右边缘均为1.4m。桩长20m打入古土壤。建立传统扶壁式当挡墙模型，其中挡墙结构尺T同上，其下方不设置桩基础。2.2模拟理论在桩墙体系工作过程中，将每根桩按照模型试验尺寸建成实体单元，考虑抗滑移力主要为墙底与地基土之间摩阻力，故采用桩基复合地基法进行模拟。复合地基的机理是

5、充分调动桩间土和桩共同承担荷载［10］。复合地基当做摩尔库仑材料，其相关物理参数取值见表1。表1复合地基计算参数材料E(MPa)νγ(kN/m3)c(kPa)φ(o)复合地基125000.220250002.3计算参数选取考虑暴雨工况，根据勘查资料对挡墙后方人工填土、地基土、古土壤三种土体的物理力学参数进行选取，具体材料力学参数取值如表2所示：3模拟结果分析3.1沉降云图对比分析设置相同地层条件，保证外荷载及填土作用不变，扶壁式挡墙沉降云图如图1所示；桩承扶壁式挡墙沉降云图如图2所示。现对其对比分析：图1为填方区采用传统扶壁式挡墙模型建立，可知，挡墙下方总体沉降量较

6、大，趾板和踵板处存在较大不均匀沉降，主要是由于墙踵板上方存在7.5米高的人工填土，致使该部位沉降量偏大，随着填土深度的增加不均匀沉降的趋势也愈发明显，直至距离墙踵板12m处，累计不均匀沉降达到峰值。从图2中可以看出，桩承扶壁式挡墙下方填土总体沉降量较小，II分布均匀。表2模型试验材料计算参数表对上图进行对比分析可知，两者在墙面板和扶肋上应力分布趋势基本一致,而两者在挡墙底板上应力分布则迥然不同，图3显示，传统扶壁式挡土墙底板上方大面积出现拉应力，原因是挡墙后方填土高度较大，使主动土压力产生较大的倾覆力矩。底板上层拉应力的大量分布，表明挡土墙自身稳定或处于极限平衡状态，较大的拉应力长时间作用或

7、致使挡墙失效，挡土墙的长期使用安全不能得到保证；图4显示，桩墙体系中趾板主要分布为压应力，墙踵板上方与墙面板交界处出现拉应力，表明挡土墙处于正常使用状态。对于踵板上部基桩周围局部分布的拉应力，主要是桩墙体系共同作用的结果，桩墙体系工作过程中，底板上存在应力重分布，位于墙踵板下方的排桩，在抗倾覆力矩较大的情况下或可提供一定抗拔力；可增加桩墙体系抗倾覆能力，增强结构抗震性，这是桩承扶壁式挡墙的显著优越性。4模拟结