仰斜式锚杆挡土墙受力分析

仰斜式锚杆挡土墙受力分析

1挡土墙运行工况倾斜式钢筋支护墙防护道路边坡工程位于太原市西北部城市森林公园水源工程的左岸。挡土墙全长130.0米，高架高度13.1米。边板在未完全浸泡之前处于自然状态。在工程完建蓄水后,公路边坡下部会被蓄水浸没,导致边坡土体内摩擦角减小,有可能出现滑坡失稳现象。该挡土墙运行工况为:1挡土墙完建后土体在墙背施加侧向土压力;2工程蓄水时挡土墙前受静水压力,墙后水位上升土体参数发生改变;3汛期泄水时水库水位下降速度高于挡土墙后水位下降速度,水库泄水完成墙后未泄水位最高可达墙高的75%,为挡土墙最危险工况。挡土墙结构见图1,挡土墙墙板采用两侧双面配筋,锚杆采用钢绞线锚固水泥砂浆灌注施工。锚杆横向间距为5m,深入土层深度为12m,混凝土采用C25混凝土。仰斜式锚杆挡土墙为用于防护斜坡土体因周围环境变化(浸水、坡度变陡等)失稳而修建在斜坡上的轻型挡土墙。目前,对仰斜式锚杆挡土墙的理论研究极少,工程设计中墙背土压力均按库伦主动土压力乘以增大系数(来自于工程经验和试验资料)来计算。鉴此,本文采用非线性有限元模拟挡土墙—锚杆—土体—地基整体变形互相影响协调的过程,对仰斜式锚杆挡土墙的墙背土压力、墙体内力、墙体位移及锚杆进行了分析。2有限分析模型2.1材料的屈服条件砂砾石土体采用D-P屈服准则,该准则的屈服面由圆锥面构成,屈服面不随材料的逐渐屈服而发生变化。D-P模型考虑了材料的泊松比(μ)、杨氏模量(E)、粘聚力(c)、内摩擦角(φ)等参数,其中c、φ由勘察报告提供。D-P材料的屈服条件表达式为:式中,σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力;I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏差量的第二不变量;α、k分别为采用摩尔库伦剪切屈服六棱锥在主应力空间π平面上的等面积圆条件下的材料常数、屈服强度。2.2墙后天然砂研磨石土的力学性质挡土墙为钢筋混凝土结构,选用C25混凝土,墙后为天然砂砾石土,天然砂卵石土体浸水后其物理力学性能指标值会减小,混凝土和砂砾石土计算采用的主要物理力学性能指标值见表1。2.3规划和计算流程2.3.1挡土墙基础计算单元根据挡土墙结构对称条件和结构尺寸,选取锚杆两侧对称截面作为模型计算边界,边界面距锚杆2.5m,地基深度约为挡土墙墙高的2倍,坡前计算范围约为墙高的2倍,土体计算单元选取SOLID45单元,混凝土计算单元选取SOLID65单元,锚杆计算单元选用SOLID65单元。基础底面边界在x、y、z三个方向施加位移约束,挡土墙两侧边界面在z方向上施加位移约束,前后边界面在x方向上施加位移约束。在划分网格时对锚杆部位和挡土墙与土体接触部位做了加密处理,单元剖分结构见图2,共计剖分单元137701个,节点23698个。2.3.2挡土墙墙后土体参数改变作用下的求解过程步骤1杀死挡土墙所有单元,即忽略挡土墙作用时天然土体在自重作用下求解。步骤2激活挡土墙所有单元,在挡土墙附加自重作用下求解。步骤3工程蓄水、墙前水位上升时,在挡土墙前水压力、墙背水压力及墙后土体浸水后参数改变作用下求解,该过程分三个荷载步:第一荷载步墙前水位为0.50H(H为挡土墙墙高)、墙后水位为0.50H,第二荷载步墙前水位为0.75H、墙后水位为0.75H,第三荷载步墙前水位为0.5H、墙后水位为H。每个荷载步分三个子步。步骤4汛期泄洪时,在自重、墙后浸水产生的水压力及墙后土体参数改变作用下求解。该过程分四个荷载步:第一荷载步墙前水位0.75H、墙后水位为H,第二荷载步墙前水位0.5H、墙后水位为0.9H,第三荷载步墙前水位零、墙后水位为0.75H,第四荷载步墙前水位为H、墙后水位为H。每个荷载步分三个子步。3结果与分析3.1挡土墙土压力水库泄水完成、墙后水位为墙高的75%时土压力分布曲线见图3。由图3可看出:1土压力分布规律为非直线,在1/5墙高处增加较快,与库伦土压力分布规律不同;2锚杆所在位置断面处土压力分布呈驼峰状,两驼峰处为挡土墙上锚杆作用位置;3曲线上土压力最大值出现在墙底处,约为库伦主动土压力最大值的3.80倍,主要是因为土体在墙底位置出现了应力集中现象;4总土压力是库伦主动土压力的1.94倍,即仰斜式锚杆挡土墙实际中土压力的增大系数为1.94。3.2锚杆支护作用挡土墙的内力分析主要包括挡土墙应力分析和挡土墙弯矩分析。(1)仰斜式锚杆挡土墙水平应力分布见图4。图中拉应力为正,压应力为负。由图4可看出,挡土墙x方向应力值除锚杆作用处及墙底处均为压应力;在锚杆位置处的应力为拉应力且沿着锚杆作用点向四周逐渐递减,大致呈圆环状分布。因此该挡土墙抗倾覆稳定主要依靠墙上锚杆的作用,墙底悬臂部分主要作用为安全储备。(2)根据有限元分析结果利用横力弯曲理论得到挡土墙锚杆所在位置断面、对称断面及1/4断面的弯矩值随墙高的变化曲线和挡土墙在墙高1.000、2.000、3.125、4.250、5.250m截面处弯矩随墙长变化曲线见图5。由图5可看出,挡土墙不同高度处弯矩呈“S”型分布,弯矩最大值为15.5kN·m,出现在43.5%墙高锚杆所在位置断面处;挡土墙不同长度处弯矩呈“V”型分布,弯矩最大值为7.8kN·m,出现在挡土墙上靠近墙底锚杆所在截面。因此,最危险断面为锚杆所在位置断面,最危险截面为墙高2m处截面。3.3墙高高型移到墙固定位置挡土墙水平位移沿墙高分布曲线见图6。由图6可看出,挡土墙对称断面和1/4断面水平位移随墙高呈抛物线状分布,水平位移最大值出现在39.1%墙高处;挡土墙锚杆所在位置断面由于锚杆限制挡土墙移动,位移呈“驼峰”分布,驼峰为锚杆作用位置,符合实际情况。挡土墙水平位移沿墙长分布曲线见图7。由图7可知,挡土墙每个截面上位移分布规律为对称分布,有锚杆作用的截面这种对称性显得尤为明显,每个截面上位移值从挡土墙的两端向中间逐渐减小,位移最小值都出现在截面中间。3.4锚杆轴力分析本工程锚杆施工是在边坡变形稳定后钻孔、钢绞线灌注水泥砂浆。为了简化计算模拟锚杆时先锚杆施工后填土。图8为锚杆轴力的变化。由图8可看出,锚杆的轴力沿锚杆全长分布不均,主要表现为中间大两端小的“枣核”状分布,且锚杆尾部轴力大于前部轴力,这与极限平衡法得到锚杆轴力分布规律不同,出现这种现象的原因是在模拟过程中锚杆除了要承受挡土墙施加的力之外,还要承受土体自重作用而施加在锚杆上的轴力和剪力。锚杆最前部轴力出现负值,因此在仰斜式锚杆挡土墙中并不是锚杆越长挡土墙越安全。该结果与文献得到的结果相似。4有限元法的计算a.有限元法计算得到的挡土墙土压力分布为非直线,土压力值介于库伦主动土压力与被动土压力之间,结果合理,理论上可行。b.采用有限元法计算考虑到了库伦