新型装配扶壁式挡土墙结构特性有限元分析
章宏生1，沈振中1，徐力群1，周志杰1，叶兴成2，刘益志2
1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2宿迁市水务局，江苏 宿迁 223800
作者简介
章宏生（１９９１ －） ， 男， 安徽安庆人， 主要从事水工结构设计分析理论及试验技术方面研究。
通讯作者：
沈振中（１９６８ －） ， 男， 江苏苏州人， 教授， 博士生导师， 主要从事水工结构工程方面研究。
摘要
新型装配扶壁式挡土墙具有环保美观，施工速度快的优点，但存在新老混凝土结合面及拼接缝，影响结构整体性。结合宿迁市马陵河整治工程，采用有限元法，分析研究了该挡土墙结构的应力、位移和变形特性及新老混凝土结合面参数对结构受力性态的影响。结果表明，新老混凝土结合面剪应力小于抗滑力，剪切变形很小，属弹性变形，结合面粘结良好；拼接缝处面板拉应力远小于混凝土抗拉强度；新型装配扶壁式挡土墙拉应力较大区域分布于扶壁上端与预制板连接处、扶壁前端与底板连接处及面板与底板连接处，最大值为1.15 MPa,小于混凝土抗拉强度设计值；挡土墙变形及位移均很小，满足应用要求；不考虑结合面黏聚力时，结合面摩擦系数在0.5以上，结构强度均能满足要求。该工程新型装配扶壁式挡土墙安全性满足要求，技术方案是可行的，可推广应用，成果可供设计和施工参考。
关键词
装配扶壁式挡土墙 结合面 拼接缝 结构特性 有限元法
Finite element analysis of the structural characteristics of new assembly buttressed retaining wall
New assembly buttressed retaining wall is environmentally friendly, beautiful, and can be constructed rapidly, but the adjoining faces between the old and new concrete and the joints can affect the integrity of the structure. Based on the renovation project of Maling river in Suqian city, we analyzed the characteristics of the stress, displacement, and deformation of the wall and the influence of different parameters of the adjoining faces on the loading behavior of the structure using the finite element method. The results showed that the shear stress of the adjoining faces is smaller than the anti-sliding force and that the elastic shear deformation is very small and belongs to the elastic deformation. The tensile stress in the joint is far less than the tensile strength of the concrete. There is greater tensile stress in the junctions between the upper end of the buttress and the precast slab, between the front end of the buttress and the floor, and between the panel and floor. The maximum tensile stress is 1.5MPa, less than the design tensile strength of the concrete. The deformation and displacement of the retaining wall are small and meet the application requirements. Without regard to the cohesion of the adjoining face, the friction coefficient of the adjoining face is more than 0.5. The new assembly buttressed retaining wall of the project meets the safety requirements. The technical scheme is feasible and applicable. The analysis results can provide reference for design and construction.
Key words
assembly buttressed retaining wall adjoining face joint structural characteristics finite element method
基金项目
国家自然科学基金项目（51279054）；江苏省水利科技项目（20168048916）
新型装配扶壁式挡土墙符合建筑工业化的大趋势， 可以实现绿色施工， 是一种具有广阔应用前景的结构型式， 与传统挡土墙采用现场立模浇筑不同， 新型装配扶壁式挡土墙则被分解为底板、 面板和扶壁板等分离式结构， 底板为现场浇筑， 面板和扶壁板为预制双面叠合混凝土板， 在现浇底板上安装后浇筑内芯混凝土， 形成完整的装配扶壁式挡土墙。这种新型装配式挡土墙在结构上存在新老混凝土结合面及拼接缝［１－４］， 结构的整体性存在不确 定 因 素， 安 全性存在隐患。目前对装配式混凝土结构的研究主要集中于框架结构、 剪力墙结构［５－１ ３］， 对这种新型装配扶壁式挡土墙结构性态的研究几乎为空白， 对如何设计装配式挡土墙、 评价其安全性缺乏理论依据， 严重制约了该类挡土墙的应用推广。
鉴于此， 针对装配扶壁式挡土墙的结构特点， 即挡土墙新老 混 凝 土 结 合 面 及 拼 接 缝 是 可 能 的 薄 弱面， 根据宿迁市马陵河整治工程的实际情况， 采用三维有限元法， 以软件 ＡＮＳＹＳ 的内置接触 面［ １４－１ ７］模拟 新 老 混 凝 土 结 合 面，应 用 Ｍｏｈｒ－Ｃ ｏｕｌｏｍｂ 模型［１８－１ ９］控制接触面之间的黏结和滑动， 建立新型装配扶壁式挡土墙的三维有限元模型， 分析研究新型装配扶壁式挡土墙结构的应力及变形特性， 评价其结构安全性和设计合理性， 为该类挡土墙设计、 评价和应用提供理论依据。
1
新型装配扶壁式挡土墙
结构型式
宿迁市马陵河整治工程根据景观设计及施工进程要求， 拟采用新型装配扶壁式挡土墙， 该新型装配扶壁式挡土墙被分解为底板、 面板和扶壁板等分离式结构， 底板为现场浇筑， 面板和扶壁板为预制双面叠合混凝土板， 在现浇底板上安装后浇筑内芯混凝土， 形成完整的装配扶壁式挡土墙， 设计结构尺寸见图１， 底板、 面板、 扶壁板的连接方式见图２。
如图１（ ｂ） 所示， 预制双面叠合混凝土板每块长度为６ｍ， 包括面板预制双面叠合板、 扶壁板预制双面叠合板， 两块预制双面叠合混凝土板在拼接时存在拼接缝， 浇筑二期混凝土时需封闭， 以防止浇筑内芯混凝土时发生漏浆， 拼接缝处面板与扶壁板的厚度实际为二期浇筑混凝土板厚度。挡土墙扶壁侧填土至墙顶， 另一侧为河道。如图１所示， 挡土墙左侧为填土侧， 右侧为河道侧， 并约定： 面板预制双面叠合板填土侧的预制板称为填土侧预制板； 河道侧的预制板称为河道侧预制板； 二期浇筑的内芯混凝土称为二期浇筑混凝土板。如图２ 所示， 河道侧预制板直接插入底板、 填土侧预制板及扶壁板预制双面叠合板下端均预留钢筋插入底板， 现场浇筑混凝土后， 内芯混凝土与底板为整浇， 面板及扶壁板与底板连接性能良好， 连接处可视为固结； 扶壁板预制双面叠合板插入面板预留孔中， 现场浇筑混凝土后， 扶壁板与面板内芯混凝土为整浇， 扶壁板与面板连接性能良好， 连接处可视为固结。
2
有限元模型及计算参数
根据该新型装配扶壁式挡土墙结构的对称性，以拼接缝为对称面， 取相邻两块预制双面叠合混凝土板各一半结构建立三维有限元模型， 即所取挡土墙轴线方向长度为６ｍ， 见图３。坐标系为右手系，规定为： ｘ 轴方向为挡土墙横剖面的水平方向， 指向河道为正； ｙ 轴 方 向 为 垂 直 向， 指 向 上 方 为 正， 与 高程一 致； ｚ 轴 方 向 为 挡 土 墙 轴 线 方 向， 符 合 右 手 法则。沿挡土墙轴线截断面是结构对称面， 该两侧截断边界及底板底面取为法向约束。
采用 ＡＮＳＹＳ 中 的 ＳＯＬＩＤ６５ 单 元 来 模 拟 钢 筋混凝土结构 的 挡 土 墙［ ２ ０］。假 定 混 凝 土 和 钢 筋 之 间黏 结良好， 无相对滑移， 采用整体式建模方式， 即将钢筋连续均匀地分布于单元中， 视单元为连续均匀材料。钢筋对结构的贡献， 采用根据刚度矩阵 Ｅ Ｉ等效的原则提高材料的弹性模量的方法来实现。考虑到挡土墙面 板 的 预 制 混 凝 土 双 面 叠 合 板 存 在 拼 接缝， 该处有效厚度实际为二期浇筑混凝土板的厚度。底板、 扶壁板、 面板连接性能良好， 视为固结。
根据预制双面叠合混凝土板生产厂家对结合面强度的室内试验测定， 各试样预制双面叠合板与二期浇筑混凝土之间的结合良好， 直至试样破坏时， 结合面均未出现错动滑移， 见图４。
二期浇筑混凝土板和面板预制叠合板之间的结合面采用接触面模拟， 两个接触体都是变形体， 是柔体－柔体 接 触，接 触 方 式 采 用 面－面 接 触［２１］，应 用ＡＮＳＹＳ 内 嵌 的 三 维 接 触 面 单 元 ＴＡＲＧＥ１７０ 和ＣＯＮＴＡ１７３形成接触对来模拟， 并采用 Ｍｏｈｒ －Ｃ ｏｕ －ｌ ｏｍｂ模型来 控 制 接 触 面 之 间 的 黏 结 和 滑 动， 表 达式为
时程序默认一最大的接触摩擦应力， 即当接触面 间的等效剪应力达到此最大值时， 则不论压应力多大，滑动都会发生。结合面参数由双减法试验确定， 模型材料参数见表１ ［２２］。
3
新型装配扶壁式挡土墙
结构特性分析
新型装配扶壁式挡土墙结构特性分析的计算工况包括施工期和运行期。限于篇幅， 这里仅给出最不利工况（ 施 工 期 完 建 情 况， 或 检 修 时 河 道 抽 干 情况） 的成果， 分析挡土墙的应力和变形特性。该工况下， 荷载有自重、 填土压力、 地下水压力及车行荷载。填土侧填土高度至墙顶， 车行荷载取７ ．５ｋＮ ／ｍ²［２３］，河道侧水位为地面高程， 地下水位为河道平均水位。
3.1
结合面受力特性分析
新型装配扶壁式挡土墙新老混凝土结合面是可能的薄弱面， 故分析填土侧预制板与二期浇筑混凝土板结合面、 河道侧预制板与二期浇筑混凝土板结合面的应力变形特性。为方便起见， 约定： 填土侧预制板与二期浇筑混凝土板结合面为结合面１； 河道侧预制板与二期浇筑混凝土板结合面为结合面２。
图５为挡土墙面板两结合面剪应力图， 可见， 受挡土墙扶壁的影响， 两结合面剪应力较大的区域呈花瓣形分布。结合面１的最大剪应力为０ ．１７ＭＰａ，结合面２的最大剪应力为０ ．０９ＭＰａ， 均未超过结合面的黏聚力， 显然该挡土墙结合面不会发生剪切破坏。图６为挡土墙面板两结合面剪切变形图， 可见，结合面剪切变形分布与剪应力分布一致， 剪切变形较大的区域呈花瓣形分布。结合面１最大剪切变形为０ ．０１３５ｍｍ， 结合面２ 最大剪切变形为０ ．００７４ｍｍ， 均很小， 为剪切弹性变形。从挡土墙两结合面的应力和变形来看， 挡土墙结合面的胶结良好， 在设计荷载作用下， 结合面不会发生破坏， 面板结构是整体的， 安全满足要求。
3.2
二期浇筑混凝土板应力变形特性分析
新型装配扶壁式挡土墙的面板由预制双面叠合板拼接后浇筑内芯混凝土形成， 浇筑内芯混凝土时，为了防止漏浆， 在拼接缝处需要采取止浆措施， 因此面板拼接缝处面板的实际厚度应为二期浇筑混凝土的厚度， 即面板设计厚度应扣除两侧叠合板的厚度，本工程面板设计厚度为０ ．３５ｍ， 叠合板厚度为０ ．０８ｍ。因此， 面板拼接缝处是挡土墙结构薄弱部位， 这里分析该部位的应力。二期浇筑混凝土板靠近河道侧的面为正面， 靠近填土侧的面为背面。
图７为二期浇筑混凝土板正面第一主应力图，可见受挡土墙扶壁的影响， 二期浇筑混凝土板正面在扶壁处处于受压状态， 在拼接缝处处于受拉状态，最大拉应力为０ ．６３ ＭＰａ。该拉应力小于二期浇筑混凝土 Ｃ ３０ 的 抗 拉 强 度 设 计 值， 因 此， 拼 接 缝 处 面板强度满足要求。
3.3
新型装配扶壁式挡土墙整体应 力变形特性分析
新型装配扶壁式挡土墙预制双面叠合板与二期浇筑混凝土 板 的 结 合 面 在 设 计 荷 载 作 用 下 黏 结 良好， 未发生剪切破坏， 因此， 该新型装配扶壁式挡土墙整体性良好， 除拼接缝处面板表面存在结构缝以外， 挡土墙可带缝工作。
图８为挡土墙第一主应力图， 可见， 新型装配扶壁式挡土墙拉应力较大的区域出现在扶壁上端与预制板连接处、 扶壁前端与底板连接处及面板与底板连接处， 拉应力最大值为１ ．１５ ＭＰａ， 该拉应力小于挡土墙 混 凝 土 Ｃ ３０ 抗 拉 强 度 设 计 值。图９ 为 挡 土墙沿ｘ方向（ 垂直挡土墙轴线） 的水平向位移图， 可见， 受挡土墙扶壁约束的影响， 挡土墙沿ｘ向位移由墙底到墙顶逐渐增大， 位移最大值为０ ．２３８ｍｍ， 出现在两扶壁的跨中、 墙顶拼接缝处； 图１ ０ 为挡土墙变形放大３０ ００倍后的变形图， 受扶壁的约束作用，面板变形呈 现 波 浪 状， 同 一 高 度， 拼 接 缝 处 变 形 最大。总体来看， 挡土墙变形很小， 可满足应用要求。
3.4
结合面强度参数 对 挡 土 墙 应 力 变 形 特性的影响
正常情况下二期浇筑混凝土板与预制叠合板的结合面胶结良好， 不会出现剪切破坏， 挡土墙的整体性可以得到保证。但是， 由于施工的不确定性， 施工质量往往存 在 差 异， 因 此， 考 虑 结 合 面 不 同 强 度 参数， 研究其对新型装配扶壁式挡土墙应力变形特性的影响。实际情况下， 浇筑二期内芯混凝土时， 面板可能存在由内芯混凝土收缩产生的结合面开裂， 因此将二期浇筑混凝土板与预制叠合板结合面黏聚力设为０。结 合 面 的 摩 擦 系 数 分 别 取 ０．８、０．７、 ０．６、０．５、０．４， 计算分析挡土墙在最不利工况下的应力和变形， 并与整体浇筑的挡土墙进行对比。计算成果见表２， 其变化曲线见图１１。
由表２和图１ １可以看出： （１） 随着结合面摩擦系数逐渐降低， 结合面剪应力、 压应力均逐渐降低， 填土侧预制板承担的土压力逐渐增大， 挡土墙最大拉应力逐渐增大。（２） 只要结合面的摩擦系数在０．５以上， 新型装配扶壁式挡土墙拉应力均小于混凝土的抗拉强度设计值， 可满足要求。（３） 整体浇筑的挡土墙与不考虑结合面黏结力、 结合面摩擦系数为０．８的新型装配扶壁式挡土墙相比， 最大拉应力稍小， 但差别不大。
4
结论
新型装配扶壁式挡土墙具有环保美观， 施工速度快的优点， 但存在新老混凝土结合面及拼接缝， 影响结构整体性。结合宿迁市马陵河整治工程， 采用有限元法， 分析、 研究了挡土墙新老混凝土结合面、拼接缝处的应力、 变形特性， 论证了该新型装配扶壁式挡土墙结构的整体性。在最不利情况下， 该挡土墙结合面胶结良好， 不会发生剪切破坏， 拼接缝处混凝土拉应力小 于 挡 土 墙 混 凝 土 Ｃ ３０ 的 抗 拉 强 度 设计值， 挡土墙安全性满足要求， 设计方案在技术上是合理的。该成果可供设计和施工参考， 此挡土墙的建造工艺可推广应用。
该新型装配扶壁式挡土墙在竣工期拉应力较大的区域分布于扶壁上端与预制板连接处、 扶壁前端与底板连接处及面板与底板连接处， 建议在这些部位配置必要的钢筋。
不考虑结合面的黏结力， 随着结合面摩擦系数逐渐降低， 结合面剪应力、 压应力均逐渐降低， 填土侧预制板承担的土压力逐渐增大， 挡土墙最大拉应力逐渐增大； 只要结合面的摩擦系数在０ ．５以上， 新型装配扶壁式挡土墙拉应力均小于混凝土的抗拉强度设计值， 可满足要求。建议施工过程中确保结合面保持粗糙， 以提高结合面摩擦系数。
参考文献略
本文发表于《南水北调与水利科技》2017年第3期。
引用请用按如下格式：
章宏生，沈振中，徐力群，周志杰，叶兴成，刘益志 .新型装配扶壁式挡土墙结构特性有限元分析[J]．南水北调与水利科技，2017, 15(3) ：145-150,189.
本期编辑： 阿丹、海超、檬檬
联系客服
