有限元分析法在旧挡墙加固设计中应用

有限元分析法在旧挡墙加固设计中应用

张新民1郭淑卿2

张新民1郭淑卿21.福建林业职业技术学院，福建南平；2.厦门理工学院，福建厦门

摘要：本文通过某旧挡土墙加固实例，利用有限元法对失稳旧挡土墙及边坡稳定性分析抗滑桩尺寸和坡顶荷载变化对边坡和旧挡墙的影响，为工程实践提供参考。

关键词：旧挡墙失稳强度折减法抗滑桩ABAQUS

旧挡墙的失稳问题是岩土工程领域一个非常重要的课题，在公路、铁路、矿山、堤坝等工程中都会时常碰到。旧挡墙的主要荷载是土压力和相关的外来荷载，随着其使用时间的增长，旧挡墙稳定性逐渐减弱，甚至出现不同程度的失稳现象。尤其在频繁的外部荷载、雨水等自然因素的作用下，旧挡墙的失稳现象表现的更加突出。

本工程结合现场实际，利用有限元法对失稳旧挡土墙及边坡稳定性进行分析比较，分析了抗滑桩尺寸和坡顶荷载变化对边坡和旧挡墙的影响，在同类工程中应用提供了依据，具有一定的工程实用价值。

1.工程概况

某工程位于福建省邵武市城郊镇，周围为丘陵山坡，山坡上已兴建水箱，水箱北侧为石砌挡土墙。本工程水箱地面标高约67m，挡土墙前为斜坡，坡脚标高约52m。水箱建筑挡土墙为石砌挡土墙，挡土墙中段墙高约7m，向两侧逐渐变矮。

2.有限元强度折减法

强度折减法最早由Zienkiewicz等提出，后被许多学者广泛采用。他们提出了一个抗剪强度折减系数（SSRF：ShearStrengthReductionFactor）的概念，其定义为：外荷载保持不变，边坡内土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。在极限状况下，外荷载所产生的实际剪应力与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数，又称为强度储备安全系数。

折减后的抗剪强度参数可以分别表达为：

式中，和是土体所能够提供的抗剪强度；和是维持平衡所需要的或土体实际发挥的抗剪强度；是强度折减系数。

计算中假定不同的强度折减系数，根据折减后的强度参数进行有限元分析，观察计算是否收敛。目前判断土坡达到临界破坏的评价标准主要有：

a）以数值计算收敛是否作为评价标准，与有限元的算法有关。

b）以特征部分的位移拐点作为评价标准。

c）以是否形成连续的贯通区作为评价标准。

3.加固前挡墙分析

3.1理正验算加固前稳定

3.1.1几何尺寸及物理参数

滑移验算：Kc=0.968<=1.300，不满足。

倾覆验算：Ko=2.639>=1.500，满足。

经理正挡土墙稳定验算得出，虽然倾覆稳定性验算满足要求，但滑动稳定性验算不满足要求，所以需要进行加固。

3.2有限元分析加固前边坡稳定

3.2.1本构模型

对于挡土墙，采用各向同性的线弹性本构模型；对于土体，则采用M-C模型。

3.2.2模型和参数

为了方便问题分析，本文作如下的基本假定：

（1）按平面应变问题考虑；

（2）不考虑挡土墙泄水孔的影响；

（3）水箱建筑采用等效荷载来模拟；

（4）场地对地下水为残积土以及风化岩中的潜水，勘探孔未见水位，这里不考虑水的影响；

计算模型如图2所示，模型大小：高25m，宽43m。有限元网格划分见图3，采用平面应变四节点单元CPE4。土和挡土墙的参数见表3，其中土层采用莫尔库伦本构模型，而挡土墙采用线弹性模型。

3.2.3边界条件和初始条件

对于边界条件，模型两边约束其水平位移，模型底面约束其水平及竖向位移。对于初始条件，利用ABAQUS中Geostatic分析，土体受到重力作用，所设置的初始应力和重力相平衡，且不产生任何位移。ABAQUA/Standard会在Geostatis步中通过迭代来建立与载荷和边界条件相对应的平衡状态，即对初始条件给出的应力场进行调整，并作为后续分析的初始状态。

3.2.4接触面

接触面切线属性采用罚函数，法向属性采用硬接触。

3.2.5结果分析

1、未采用强度折减

当没有采用强度折减时，把原参数代入，ABAQUS程序中会出现计算不收敛：Timeincrementrequiredislessthantheminimumspecified；通过查看计算的结果，塑性区从坡底到坡顶贯通。从位移云图可得出挡土墙墙顶的水平位移达到了130.3mm，而且将继续增大；通过位移时间图发现水平位移随着时间增长，当时间为0.27左右的时候，位移发生突变，迅速的增大，表面边坡和挡土墙失稳。所以可以得出结论旧挡墙下的边坡不稳定会产生滑坡，挡墙也会发生破坏，应该对其进行加固。

2、采用强度折减法

当没有采用强度折减法时，计算不收敛，说明了边坡不稳定，使用强度折减法来分析边坡的稳定性系数，模型与上述类似。得到如下结论：

塑性区一开始是出现在挡土墙墙底，再逐渐与坡顶贯通，最后连接坡底，这主要是因为挡墙墙底会出现应力集中，而导致墙底的土首先出现塑性状态。

通过竖向位移图可知最大的沉降出现在坡顶，这是主要是由于存在水箱建筑。

通过分析得出加固前边坡稳定系数为0.985，即在折减系数为0.985左右的时候，水平位移会发生突变，边坡失稳，会出现滑坡现象，挡土墙也会发生滑移破坏。

现场实际情况为：挡土墙顶地面沉降严重，地面已经开裂，水箱渗漏，挡土墙前土体被冲刷成沟壑，露出挡土墙墙脚，挡土墙明显发生位移，已经危及挡土墙安全，应对挡土墙进行加固，并对边坡进行整治。

4抗滑桩加固分析

本文所分析的截面中，边坡旧挡墙的加固采用抗滑桩加固，如图4所示。ABAQUS有限元模型网格划分如图5所示。

现在通过ABAQUS软件来分析抗滑桩尺寸和坡顶荷载变化对边坡和旧挡墙的影响，为工程实践提供参考。

4.1抗滑桩长度的影响

抗滑桩的直径取1m，有效桩长分别取6m、7m、8m、9m，通过ABAQUS有限元软件对挡土墙和边坡的性状进行分析，可以得到如下结论：

在位移拐点的对比中可以发现，桩长越大，越不容易发生位移突变；边坡的稳定系数随着桩长的增大而增大，所以增加桩长可以有效地减小滑坡的可能性。

挡土墙沉降随着桩长增加而降低。说明桩长越长边坡越稳定，旧挡墙的沉降就越小，越不容易破坏。

当采用的桩比较长时，更能阻止边坡土向下滑移，同样也能使旧挡墙的滑移量减小。通过不同的桩长，墙身水平位移的对比，会发现桩长减小时，墙整体的水平位移会变大，墙顶的水平位移增长会比墙底的水平位移大，这将会使旧挡墙发生倾覆破坏。

由于坡顶有水箱作用，所以坡顶的沉降会相对大一些。中间水箱部分的土的沉降最大，向两边逐渐递减。在桩长增加时，沉降也会相对减小，但减小不明显。

4.2抗滑桩直径的影响

采用有限元程序ABAQUS来分析不同直径抗滑桩的加固下，边坡和挡墙的性状。取有效桩长为8m，抗滑桩直径分别取2m、1.2m、1m、0.8m、0.6m。对以上不同直径的抗滑桩加固下，进行对比分析，可以得到如下结论：

桩径变大时，发生位移突变所需要的折减系数会变大，即桩径越大，边坡的稳定系数就越大。

当桩径增大时，挡土墙的沉降量会减小，说明桩径越大阻止旧挡墙沉降的效果越好。

对墙身水平位移进行了对比分析，桩径增加的时候，墙身的水平的位移会减小。会发现不论桩径的多少，墙顶的位移都会比墙底的小，所以，桩径减小到一定程度时，旧挡墙更可能发生滑移破坏，而不是倾覆破坏。桩径为1m和1.2m时，两者的强身水平位移几乎重合，说明这两者直径的桩对旧挡土墙加固效果相似。

采用直径越大的抗滑桩对旧挡墙进行加固，使得坡顶的沉降会减小。坡顶的位移也是呈中间大，两边小的特点。

4.3坡顶上部荷载的影响

由于山坡已有水箱建筑，水箱的重量会对边坡稳定产生严重的影响。建模中，采用等效线荷载来代替水箱的作用。通过ABAQUS有限元软件进行分析，可以得到如下结论：

随着荷载的增大，位移发生突变所需要的折减系数会更小，即边坡越不稳定。边坡的稳定系数随着荷载的增大而减小。水箱越重，挡土墙的沉降也就越大。

墙身的整体水平位移会随着坡顶荷载增加而增加，而且随着荷载的加大，墙顶的位移增加幅度明显大于墙底的位移增加量，当继续增加荷载时，旧挡墙可能会发生倾覆破坏。

坡顶上没有水箱时，坡顶最大的沉降会发生在距离挡土墙较近的地方，随着坡顶荷载的增加，沉降最大的位移逐渐往坡顶中心移动，而且各个位置的沉降量都会增大。

采用强度折减法计算得到不收敛时的网格变形图，通过两者滑坡模式的对比中可以发现，在有水箱时，滑坡为整体滑坡；在没有水箱时（P=0kPa），抗滑桩以下的土体会首先出现局部滑坡，即抗滑桩以下的土体先失稳。

5工程实际抗滑桩加固分析

本工程是对山坡上已有水箱建筑北侧挡土墙进行加固，水箱建筑渗漏严重，应进行检查和修缮，确保其不再渗漏，本次设计是对原有挡土墙进行加固，由于原挡土墙埋深较浅，采用在原挡土墙前设置人工挖孔桩支挡，抗滑，抗滑桩嵌入持力层一定深度，抗滑桩顶部采用压顶梁连接，压顶梁靠原挡土墙一侧必须紧抵挡土墙面，人工挖孔桩数量7根，挖孔桩内径Φ800mm，护壁厚150mm，有效桩长约5.7~8.4m。原挡土墙前主要为填土，其斜坡冲刷严重，采用拱形骨架护坡。

有限元建模时，桩径取950mm，有效桩长取8m。

通过ABAQUS有限元软件对采用抗滑桩加固后挡土墙和边坡的性状进行分析得到：

（1）采用强度折减法得出的位移随折减系数的变化，可以看出边坡位移突变不是很明显，通过程序计算得到不收敛时的折减系数为1.323，即边坡的稳定系数为Fv=1.323，所以加固后的边坡稳定。

（2）旧挡墙墙址和抗滑桩桩身会产生应力集中的现象，土的塑性区会首先出现在其周围。塑性区的变化，墙底先出现屈服，慢慢发展到坡顶，而就挡墙以下的边坡不会出现塑性区，坡底和坡顶不会发生塑性区贯通，所以不会发生滑坡现象。这充分说明了，由于抗滑桩的加固，边坡稳定性提高。

（3）在加固前后的变形对比中，加固前边坡整体发生了滑坡现象，包括旧挡墙也发生了整体的滑移。加固后边坡趋于稳定，没有发生明显的滑坡现象。抗滑桩阻止了滑移，所以抗滑桩产生的位移会相对较大。

（4）加固前后水平位移对比中，加固前的最大水平位移出现在旧挡墙上，最终位移大于130.3mm（由于计算不收敛中断，所以会产生更大的位移），而加固后的的旧挡墙位移明显变小，最终位移为34mm，最大的水平位移会出现在桩顶。因此抗滑桩加固的效果明显。

6结束语

本文使用有限元软件ABAQUS对加固前的边坡进行稳定分析，采用的是强度折减法。同时，应用理正软件对挡土墙进行稳定验算；研究抗滑桩参数变化对边坡和挡土墙的影响。

本工程由于地下水位较低且水量小，假设不考虑地下水位的影响，因此建议，在地下水位的影响下对旧挡墙的加固技术进行渗流分析需要进一步的研究。

参考文献

[1]铁道部科学研究院西北研究所.滑坡防治[M].北京:人民铁道出版社,1977:1-3.

[2]杨志法,张路清,祝介旺.四项边坡加固新技术[J].岩士力学与工程学报,2005,24(21):3828-3834.

[3]张建仁.挡土墙结构稳定性的可靠度分析[J].中国公路学报,1997,10(3):53-58.

[4]RameshP.Murarka.ProbabilisticAnalysisandDesignofaRetainingWall[J].JournaloftheGeotechnicalEngineeringpision,1974,100(3):349-366.

[5]LowBK.Reliability–baseddesignappliedtoretainingwalls[J].Geotechnique,2005,55[1]:63-75.

[6]AnilKumarMandalietal.ReliabilityAnalysisofCounterfortRetainingWalls[J].ElectronicJournalofStructuralEngineering,2011,11(1).

[7]王平,刘东升,田强,雷用.地下水作用下挡土墙的稳定性分析[J].地下空间,2001,21(5):475~479.

[8]周铁军.挡土墙可靠度分析[A].中国土木工程学会桥梁与结构工程学会结构可靠度委员会《工程结构可靠性》第二届学术交流会论文集[C],重庆,1989.

[9]高志辉,张立勇,陈健康.挡士结构体系得可靠度分析[J].四川水利,2004,4:24-12

张新民简介

张新民，男，出生于1973.7，福建上杭人，福建林业职业技术学院建筑工程系讲师，主要从事建筑工程教学，工程现场管理等。