基于有限元数值模拟挡土墙背主动土压力分布探究

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1、基于有限元数值模拟挡土墙背主动土压力分布探究摘要：挡土墙主动土压力的计算，虽有两大古典土压力理论公式，但是其缺陷与适用性范围也非常明显。文章以挡土墙为依托，使用非线性有限元数值模拟方法，对两大古典土压力理论及相关研究理论进行探讨，比较一般工况下主动土压力的计算方法，试图找出优化解答，从而更好的指导工程实践，供同行参考。关键词：地基承载力；主动土压力；非线性有限元中图分类号：TU476文献标识码：A文章编号：1006-8937(2013)05-00125-03扌当土墙土压力分布是土力学的三大经典课题之一，工程上常采用经典的朗肯土压力和库仑土压力理论计算土压力，以上两种理论以土体极限平衡

2、理论为基础，计算简单，力学概念明确，理解较容易，受到工程技术人员的普遍欢迎。但是，在诸如填土为粘性土或表面存在不均匀荷载，填土边界形状不连续，墙面与土体之间摩擦力作用影响较大等复杂应力边界条件，经典朗肯、库仑理论遇到了极大的挑战。这是因为此二理论的假设，未能充分考虑到土体材料特性以及复杂情况下的应力边界条件。然而，土压力的大小与分布,受土体特性参数及应力边界等影响较大。因此，两大经典土压力理论未能给出符合实际的土压力。行业规范为方便工程应用，基于上述经典理论，并总结工程经验，给出了规范计算公式。即便如此，迄今为止，研究挡土墙在复杂材料特性和应力边界条件下的土压力分布规律，确定符合实际

3、情况下的极限土压力的解析解，一直是土力学理论中亟待解决的问题之一。许多专家学者及工程技术人员对此问题进行了探索研究，包括模型试验和现场试验等。然而，由于本问题的复杂性，其中大多数研究也只是局限于某些特定情况的土压力，而对于一般情况下的土压力统一解析解仍未能获得公认的解答。值得注意的是，彭明祥(2009)基于极限平衡理论，视墙后填土为服从莫尔-库仑屈服准则的理想弹塑性材料，建立较为完善的滑楔分析模型，求解了在一般情况下考虑黏性土作用的挡土墙主动土压力、滑裂面土反力以及其分布，给出土压力的库仑统一解，而经典库仑和朗肯主动土压力为其特例，其主动土压力表达式结论可参考文献［9］。彭氏理论完善

4、了上述两大古典理论的假设条件，从理论上推导出了一般挡土墙主动土压力计算方法，且可证实彭明祥库仑统一解理论在两大经典土压力理论公式假设条件下，其表达式与后二者相同，即可将库仑和朗肯主动土压力公式视为上述库仑主动土压力统一解的特殊情况。然而，该理论尚无学者对其进行推导过程进行校核和实际试验验证。本文从数值仿真实验角度来模拟一般情况下挡土墙后土压力分布情况，并与规范公式及彭明祥库仑统一解理论所算出的结果作对比，从而验证后二者的准确性、安全性及适用性。1考虑复杂工况的挡土墙有限元优化求解模型本文数值仿真采用Ansys10.0分析软件建立有限元计算模型。挡墙结构单元的本构关系采用线弹性模型，挡

5、土墙背及周围土体单元选择采用软件提供的Drucker-Prager弹塑性本构模型，而土体和挡墙结构之间采用接触单元(ContactPair)来模拟二者的接触，从而充分模拟土体与挡墙结构间的相互作用力，以求更准确地模拟出墙背土压力在极限平衡状态下的分布。1.1模型及参数本模型由挡墙结构和墙后填土两部分组成。模型参数取值：挡墙结构：弹模E基础=2&0GPa,泊松比u基础=0.2,重度Y基础=25.00kN/m3o墙后填土：弹模E土=30MPa,泊松比u±=0.3,重度Vi=19.00kN/m3o接触面：渗透系数0.1,粘聚力Cw=10kPa。为方便计算建模，取墙高H=10m；结合库仑理论

6、，墙背主动土压力作用范围不应超过1倍的挡土墙高度(按平面破裂面与极限状态理论，破裂面倾角0^45°,影响范围大约为1倍的挡墙高)，故取挡墙背后土体前后延伸2Bo数值分析计算结果也显示，这样的填土宽度取值能充分考虑应力扩散影响范围，计算精度能够保证，取值安全合理。由此确立了模型的尺寸，如图1(a)所示。其中H为挡墙结构高度，模拟过程中，挡墙髙度H、模型宽度、墙背填土倾角B、填土粘聚力c及内摩擦角巾、填土表面超载q等模型参数保持不变；而墙背倾角Q,墙背填土外摩擦角5及墙土粘聚力Cw等模型参数是可变的一一着重考察墙土间接触力(包括摩擦角和粘结力)对主动土压力分布规律的影响。由于模型右侧为半

7、无限空间，且挡土墙为条形，类似条形基础，故而本文所建立的扌当土墙后主动土压力分布研究问题属于平面应变问题，因此建立二维模型，在进行网格划分时使用PLANE42平板单元。具体划分如图1(b)所示。土体与挡墙结构之间采用接触单元(ContactPair)来模拟二者的接触如图1(c)所示。1.2模型边界与加载条件结合实际工况，在模型右侧边界有限元网格节点处加横向约束，即x=0,允许其竖向沉降；而在模型底部则加竖向约束，即y=0,只允许其横向变形。扌当墙模型荷载施