列车荷载对重力式挡土墙土压力的影响

列车荷载对重力式挡土墙土压力的影响

1支挡结构破坏情况调查随着高速铁路的发展，大量的人工林瓦尔和路肩支撑结构在山区进行。从国内外现有铁路的运营状况来看,支挡结构由于外界因素的影响而导致破坏的情况时有发生。本文考虑土体的力学特性和土与结构接触面上的变形特性,用自编的三维弹性—非线性有限元程序对在列车荷载及墙背填土作用下重力式挡土墙上的土压力进行计算,分析墙高对土压力的影响。2计算模型和参数2.1模型构建和边界条件文献指出,列车轮载的影响范围一般为7根轨枕,《京沪高速铁路设计暂行规定》(以下简称《暂规》)规定正线每公里铺设轨枕1667根,所以计算宽度沿线路纵向选取4m,在线路横断面垂直方向和水平方向各取5倍墙高作为计算域。模型底边界竖向位移约束,土体边界沿其边界面法向位移约束,其他方向位移自由。挡墙与墙背填土、挡墙与地基、挡墙基础与墙前回填土之间都设置了三维Goodman无厚度的摩擦单元。参考文献、,墙顶宽度取0.5m,基础埋置深度为1.0m。挡墙墙背直立,墙胸坡度为1〯0.25。挡墙计算网格示意见图1。2.2基床及基床材料参数(1)挡土墙后由上往下依次为:0.7m厚的基床表层、2.3m厚的基床底层,路堤填料,地基。墙身材料为混凝土,变形较小,用线弹性单元模拟;基床范围内填料力学性质较好,压实度高,亦用线弹性单元模拟;基床以下填料及地基采用邓肯—张模型单元。(2)混凝土等级为C15,计算参数参考文献、选取;基床表层和基床底层参数根据《暂规》中的压实标准K30系数反推而得;基床下填料及地基单元的邓肯—张模型参数参考文献选取。各计算参数见表1～表3。3按路基面进行的荷载计算荷载包括两部分:一是线路上部结构的重量即静荷载;二是列车行驶轮载通过上部结构传递到路基面上的动应力,即动荷载。根据《暂规》,路基上的轨道及列车荷载可换算成3.2m高、3.4m宽的土柱(重度为19kN/m3),换算得路基面上静荷载为宽3.4m、荷载集度为60.8kPa的均布荷载。为了考虑高速列车动荷载对挡土墙的影响,将上部结构的轨道静荷载换算成分布宽为3.4m、荷载集度为20kPa的均布荷载;列车动荷载简化成在路基面上同样分布宽度、大小为100kPa的均布荷载。按路基标准横断面换算的荷载位置见图2。计算中荷载按填土自重荷载、换算土柱荷载和动应力荷载三种情况考虑:(1)填土自重荷载:包括墙后填土和挡墙上部路堤填土所产生的荷载。(2)换算土柱静荷载:路基上的轨道及列车荷载换算成3.4m宽、荷载集度为60.8kPa的均布荷载。(3)列车动荷载:列车产生的动荷载简化成在路基横断面分布宽度为3.4m,大小为100kPa的均布荷载。4墙高的影响保持路基上部荷载大小与位置不变,分别计算墙高为3m、6m、8m、10m和12m时荷载对挡墙墙背产生的土压力,并对结果进行分析。5墙壁土压力分布计算不同高度挡土墙墙背土压力,其结果见图3。(1)从图3(a)、(b)可见,荷载产生的土压力分布曲线约在0.25H范围近似线性增加,之后呈曲线衰减。土压力最大值位置随着墙高的增加逐渐下移,但下移幅值越来越小。这表明当墙高大于一定高度后,土压力最大值出现在某一深度附近,该深度以上土压力随着墙高的增加逐渐增大,该深度以下,土压力呈衰减趋势。(2)从图3(c)可以看出,填土自重产生的土压力大部分范围沿墙背随深度近似线性增长。下部土压力分布呈凸曲线,在墙顶以下约0.80～0.85H处土压力达到最大值,其后土压力突衰变小。墙踵附近土压力减小的原因有二:一是墙、土接触面的剪应力与部分垂直土压力平衡,使挡墙附近的垂直土压力小于γh,侧向土压力亦减小;二是地基对填土的摩擦阻碍作用,墙底土体向挡墙的位移减小,土压力随之减小。(3)从图3(d)发现,在总荷载(填土自重+动荷载)作用下,挡墙较低时(≤8m),墙背最大土压力大约出现在0.3H处,而挡墙较高时(10m,12m),墙背最大土压力位置降低,出现在0.5H以下。分析其原因,挡墙较低时,在挡墙上部,荷载土压力较自重土压力所占比重大,总土压力受荷载土压力控制,总土压力拐点亦受荷载土压力控制;而挡墙较高时,则自重土压力占总土压力比重更大,总土压力拐点则受自重土压力控制。6墙高、土压力(1)填土自重产生的土压力在墙顶以下约0.25H内随深度近似呈线性增长,在墙顶以下约0.80～0.85H处土压力达到最大值,其后土压力逐渐减小,下部土压力分布呈凸曲线。(2)当墙高大于一定高度后,荷载产生的土压力最大值出现在某一深度附近,该深度以上土压力随着墙高的增加逐渐增大;该深度以下,随墙高的增加土压力将呈衰减趋势。(3)当其它条件不变而挡墙高度变化时,填土