蒲廣寧梁俊偉郭昆韓麗娟

正平路橋建設(shè)股份有限公司

摘 要：波紋鋼板加筋擋土墻是一種可實(shí)現(xiàn)快速化施工的擋土墻構(gòu)造形式，具有面板強(qiáng)度高、剛度大，施工速度快，環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn)。本文通過(guò)采用ABAQUS軟件建立有限元模型，在填土、頂部80kPa及120kPa荷載作用下，研究波紋鋼板與填土耦合作用對(duì)波紋鋼板力學(xué)和變形特性，并分析了不同深度波紋鋼板、土體的水平變形及擋土墻構(gòu)造物的穩(wěn)定性。研究表明：波紋擋鋼土墻在填土作用下呈倒“S”形，上部呈向外變形，下部呈向內(nèi)變形擠壓土；上部載荷作用下，擋土墻的中間部分會(huì)產(chǎn)生凸起，隨著載荷的增加，凸起隨著向外傾斜的趨勢(shì)而增加。

關(guān)鍵詞：波紋鋼板擋土墻;有限元;變形;應(yīng)力;

作者簡(jiǎn)介：蒲廣寧(1974-),男，正高級(jí)工程師，主要研究方向：道路與橋梁。;

基金：青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2018-ZJ-742);

引言

重力式擋墻施工量大、基礎(chǔ)承載力要求高；格梁式預(yù)應(yīng)力錨索(錨桿)擋土墻自重小、適應(yīng)性好、施工復(fù)雜、周期長(zhǎng)、造價(jià)高[1];加筋土擋土墻施工便捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，但墻身變形大，難以滿足高等級(jí)公路對(duì)變形的控制要求[2,3,4,5],且在實(shí)際施工過(guò)程中，受到交通條件限制，山區(qū)公路支擋結(jié)構(gòu)的建設(shè)難以展開(kāi)快速化施工，嚴(yán)重制約工期。有必要采用一種便捷高效的方法開(kāi)展路基的擴(kuò)寬和支護(hù)。波紋鋼板擋土墻，是一種基于公路波紋鋼板管涵中常用的波紋鋼板結(jié)構(gòu)、加筋擋土墻及公路橋梁剪力釘?shù)乃枷?，改進(jìn)的一種新的支擋形式。該擋土墻具有面板強(qiáng)度大、剛度大，施工速度快，環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn)。

1 波紋鋼板加筋擋土墻構(gòu)造及工藝

波紋鋼板擋土墻主要由擋土墻面板、剪力鋼筋、拉筋帶和錨拉板四部分構(gòu)成，上部為波紋鋼面板，下部為同型號(hào)埋入式波紋鋼板基礎(chǔ)，板與板之間采用螺栓錯(cuò)位搭接；面板在波谷處自上而下每700mm預(yù)留拉環(huán)筋環(huán)孔洞；基礎(chǔ)豎向每200mm預(yù)留剪力筋孔洞。擋土墻構(gòu)造見(jiàn)圖1所示。

圖1 波紋鋼板擋土墻構(gòu)造簡(jiǎn)圖

2 參數(shù)及模型

設(shè)定模型尺寸為20m×10m×1.2m, 墻背填土范圍為，寬10m, 高4.2m, 基礎(chǔ)埋深1.5m, 幾何模型如圖2所示。

設(shè)定波紋鋼板厚度方向?yàn)?/span>X軸，以填土一側(cè)為正方向，波谷靠近填土一側(cè)；道路行駛方向?yàn)?/span>Y軸，以前進(jìn)方向?yàn)檎较颍桓叨确较驗(yàn)?/span>Z軸，以頂面向上為正。

假定土體通過(guò)自重作用實(shí)現(xiàn)壓實(shí)，鋼塑復(fù)合拉筋帶不承擔(dān)壓力和彎矩作用，拉筋帶、錨拉板和土體之間不存在相互滑動(dòng)。土體為理想彈塑性材料，波紋鋼板、剪力鋼筋、鋼塑復(fù)合拉筋帶等為彈性體模型。選用研究波紋鋼板和土體分別采用Von Mises準(zhǔn)則和摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則[6,7,8]進(jìn)行分析，材料參數(shù)按表1～表3取值。

圖2 波紋鋼板擋土墻構(gòu)造模型

圖3 波紋鋼板擋土墻模型

2.1 模型建立

采用C3D8R單元、S4R單元、B31單元和T3D2單元分別建立土體、波紋鋼板、剪力筋和鋼塑復(fù)合拉筋帶模型。模型關(guān)系為：剪力鋼筋及擋墻基礎(chǔ)與土體之間采用embed約束，面板與填土體之間采用面—面接觸，筋帶與面板采用tie約束，筋帶與土體之間采用embed約束。模型底部為全約束，除頂部外，其余各邊界僅施加法向約束，模型見(jiàn)圖3所示。

表1 土體及波紋鋼板板材料性質(zhì)

表2 波紋鋼板板規(guī)格參數(shù)

表2 波紋鋼板板規(guī)格參數(shù)

表3 鋼塑復(fù)合拉筋帶

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

分別波紋鋼板的波峰和波谷沿Z軸方向設(shè)定觀測(cè)點(diǎn)，自波紋鋼板頂部而下，每0.6m設(shè)定一個(gè)測(cè)點(diǎn)；X軸正方向每米設(shè)定一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 填土作用效應(yīng)

圖5為波紋鋼板擋土墻及拉筋帶的變形。如圖所示，面板和拉筋帶水皮向變形最大值僅為1.53mm, 相對(duì)于面板高度變形僅為0.032%。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 波紋鋼板及筋帶水平向變形值(單位:m)

如圖6所示，自面板頂向下，波峰和波谷應(yīng)力約呈反對(duì)稱(chēng)“S”型。波谷以受壓為主，先減小后增大，而后逐漸減??；波峰以受拉為主，呈現(xiàn)出先增大后減小，而后再增大再減小的趨勢(shì)；波峰主應(yīng)力達(dá)到最大值約17MPa, 波谷主應(yīng)力最大值約6.5MPa, 兩者相差約23.5MPa, 應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度值。

圖6 波紋鋼板隨深度應(yīng)力值

圖7 波紋鋼板隨高度水平位移

圖7為波紋鋼板在填土作用下的水平位移。填土過(guò)程中，波紋鋼板呈現(xiàn)出“S”型曲線。下部最大位移在Z=-5.4m處，水平位移為-2.04mm; 上部最大位移在Z=-3.6m處，最大位移值為-1.78mm; 反彎點(diǎn)位于擋墻處Z=-1.0m處。

圖8為X方向距離擋土墻0～6m處，土體內(nèi)部深層水平位移，直觀的體現(xiàn)了擋土墻下部受到擠壓的作用效應(yīng)，并于擋土墻趾部最為明顯。圖9為在擠土效應(yīng)下，深度為1.8m、3.6m和5.4m土體的水平位移。擋土墻下部的最大位移為-2.04mm(擋土墻趾部),隨著填土高度增加，該效應(yīng)逐漸減小，且距離擋墻距離越遠(yuǎn)，該效應(yīng)越弱。

圖8 墻后土體內(nèi)部位移與深度、距離關(guān)系

圖9 墻后土體內(nèi)部位移

3.2 荷載作用效應(yīng)

在模型頂部距離波谷1m處分別施加80kPa和120kPa的豎向均布車(chē)輛荷載作用。圖10和圖11給出荷載作用下的應(yīng)力和變形。當(dāng)荷載設(shè)定為120kPa時(shí)，面板—拉筋帶體系中最大應(yīng)力處于拉筋帶部分，最大值為147MPa, 遠(yuǎn)小于表中所述鋼塑復(fù)合拉筋帶破斷設(shè)計(jì)值。

如圖11所示，80kPa豎向荷載作用下，波紋鋼板產(chǎn)生正向的最大位移為6.35mm, 位于距離擋土墻頂部3.2m處；擋土墻頂部和趾部位移分別為3.74mm和3.99mm。120kPa豎向荷載作用下，波紋鋼板產(chǎn)生正向的最大位移為10.34mm, 位于距離擋土墻頂部2.8m處；擋土墻頂部和趾部位移分別為8.18mm和5.18mm。對(duì)比兩種荷載作用下的擋土墻變形，波紋鋼板擋土墻均在中部背向土體“凸”起。隨著荷載增加，擋土墻凸起部分的位置逐漸提高，并產(chǎn)生背向土體的傾斜趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)在填土和鋼塑復(fù)合帶的共同作用下，隨著填土高度的增加，波紋鋼板呈現(xiàn)出反向凸起，并對(duì)中下部填土產(chǎn)生一定的擠壓作用，然后外向的變形。 此時(shí)，地基抗剪鋼筋處于高應(yīng)力狀態(tài)，鋼塑復(fù)合帶處于彈性變形狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)改變基礎(chǔ)形式，提高上部鋼塑復(fù)合帶的錨固效果。

圖10 120kPa荷載波紋鋼板擋土墻受力狀態(tài)

圖11 附加荷載作用下面板水平向變形

(2)在均布載荷下，波紋鋼板的Z軸方向中部出現(xiàn)了背向土體的“凸起”。隨著載荷的增加，“凸出”部分的變形也增加，并且波紋鋼板板會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離填充物的傾斜。因此，有必要增加中部鋼塑復(fù)合帶的抗拉強(qiáng)度和錨固強(qiáng)度。

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