土工格室多级柔性挡墙受力分析

土工格室多级柔性挡墙受力分析

0柔性挡墙工程特点柔性土墙是一种实现生态恢复的轻软结构。它现在主要用于保护道路沿线的边境地区。与传统的基路保护结构相比，不仅可以嵌入基路的陡峭斜坡上，节约空间资源，减少对自然生态环境的破坏，使防护工程与环境、自然景观相协调。同时，它具有测量量大、施工技术低、经济效益好的优点。姚红芝在内部离心模型的实验中初步分析了柔性挡土墙的设计形状。曲世辉等人根据有限的理由研究了柔性土墙设计参数对墙后土压力的影响，并根据柔性土墙的力学特性提出了主动土压力计算方法。根据室内清洁条件的研究，在黄土边坡上添加基础设施格室可以显著提高边坡的支撑能力，对实际工程的应用具有一定的参考价值。而当填筑路基比较高或地形有限制时,常将柔性挡墙布置为二级或多级,以减少土方开挖量,降低施工难度.本研究主要对二级及多级柔性挡墙的受力机理和工程性状进行研究,以供多级柔性挡墙的设计、施工工作参考.1材料参数选取计算模型依托鹰瑞高速公路中已经广泛应用的土工格室柔性挡墙工程.鹰瑞高速公路在江西省境内,路线大部分处在山岭重丘区,很多路段以路堑或路堤形式通过,土工格室柔性挡墙的大量应用,既保证路基边坡的稳定,又有效地恢复了沿线的自然生态环境.柔性挡墙在路基荷载作用下的受力机理较为复杂,参考工程实际及相关文献建立几何模型如图1(a)所示,网格划分如图1(b).边界条件:左右两侧水平约束,下部X、Y方向约束,上部为自由边界.取模型左下角O点坐标(0,0),挡墙上监测点坐标分别为A(23,20)、B(23.5,21)、C(24,22)、D(24.5,23)、E(25,24)、F(27,25)、G(27.5,26)、H(28,27)、I(28.5,28)、J(29,29)、K(29.5,30),模型中各组成材料均是取自鹰瑞高速公路中典型挡墙工程的实验数据,材料具体参数见表1.有限元软件能较好模拟土体与柔性支护的共同作用,考虑土体的非线性弹塑性本构关系,通常用采用的岩土屈服准则是广义米赛斯准则与摩尔—库伦准则.摩尔—库伦在屈服面上是不等角六边形,存在尖顶和菱角,不便于数值计算,而广义米赛斯准则在屈服面上为圆形,如图2所示,r1,r2,r3分别为摩尔—库伦六边形屈服面的外角点外接圆,内接点外接圆,内切圆的半径.广义米赛斯屈服函数为:F=αI1+J2−−√=k(1)F=αΙ1+J2=k(1)式中:I1=σ1+σ2+σ3、J2=16[(σ1−σ2)2+(σ1−σ3)2+(σ2−σ3)2]J2=16[(σ1-σ2)2+(σ1-σ3)2+(σ2-σ3)2],分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量;α,k为与岩土材料的内摩擦角φ和粘聚力c有关的常数,不同的α,k在屈服面上代表不同的圆.其中当α=2sinφ3√(3+sinφ)‚k=6ccosφ3√(3+sinφ)α=2sinφ3(3+sinφ)‚k=6ccosφ3(3+sinφ)时在屈服面上是内角点外切圆(DP2),在平面应变问题中可以较好的提高计算精度,本研究采用非关联流动法则外接圆的屈服准则计算.2模型几何参数模拟计算过程中只考虑重力,在6种不同的工况下进行计算(见表2),每种工况只考虑单一情况,模型几何参数以图1中标识为准(三级、四级挡墙台阶间的墙体高度是均等的,即三级挡墙台阶间墙体高度均为3.33m,四级挡墙台阶间墙体高度均为2.5m).2.1台阶下墙体应力由图3(a)可知,坡度对墙体应力的影响比较显著,整体上坡度越陡墙体受力越大,由于挡墙中间有1.0m的台阶,使墙体应力分布发生明显变化,台阶上部墙体的受力与墙高近似呈线性关系,而台阶下部墙体受力无明显规律,当坡度为1∶0.25时,墙体上应力有最大值155.6kPa,位置在墙高2m处.图3(b)中无台阶挡墙受力较为均匀,整体所受应力呈近似线性增大,最大值在坡底位置,而有台阶时,台阶明显地改变了墙体的受力分布,应力曲线随墙体深度呈先凹后凸形态,台阶间距对挡墙受力有一定的影响,台阶上部墙高5～9m段墙体上相同位置处的受力随间距增大反而减小,应力最大值均出现在坡底处,台阶间距b=0.5m时有最大值147.5kPa.2.2台阶上部、下墙高之比根据图4(a)可知,墙体越厚,墙体同深度处受力越小,不同墙宽下,台阶对墙体的受力分布影响较大.当墙体厚度小于2.0m时,台阶上部、下部墙体受力均呈凸起状抛物线形,而墙体厚度大于3.0m时,台阶上部墙高5～9m段墙体的受力随高度近似呈线性关系,下部墙高0～5m段墙体受力呈抛物线形.由图4(b),台阶上部、下部墙高之比对墙体受力影响较大,当h1∶h2=3∶7时,台阶上部墙体受力相对最小,而下部墙体受力呈近似抛物线型,当h1∶h2=6∶4时,台阶上部墙体受力呈近似线性增大,但是下部墙体受力在墙体0～1m处达到最大值149.1kPa,明显大于其他工况下的受力,故台阶上部、下部墙高之比取较小值更为合理.2.3墙体应力分析路基需要承受路面、行人及车辆的荷载作用,为计算方便,在模型中取均布荷载,应力曲线结果如图5(a),表面荷载增大时墙体受力亦增大,但表面荷载对墙体应力曲线的形态改变较小.由图5(b)得,当柔性挡墙为一级时,墙体应力分布近似呈线性增长,当挡墙为二级或多级时,其墙体受力均受到台阶的影响.二级挡墙的应力曲线呈上凹下凸的抛物线形,在墙高0～3m处时应力值较大,三级、四级挡墙的墙体应力在台阶处均呈跳跃式增长,但与一级、二级挡墙相比,其受力偏小集中在墙高0～1m段,故当边坡较高时设置更多级台阶柔性挡墙较为合理.3不同台阶间距1)多级柔性挡墙墙体应力最大值均集中在墙高0～1m段,且受台阶影响较大,在台阶处应力曲线会有突增现象;二级柔性挡墙的墙宽越厚,坡度