列車荷載對(duì)重力式擋土墻土壓力的影響

列車荷載對(duì)重力式擋土墻土壓力的影響

1支擋結(jié)構(gòu)破壞情況調(diào)查隨著高速鐵路的發(fā)展，大量的人工林瓦爾和路肩支撐結(jié)構(gòu)在山區(qū)進(jìn)行。從國內(nèi)外現(xiàn)有鐵路的運(yùn)營狀況來看,支擋結(jié)構(gòu)由于外界因素的影響而導(dǎo)致破壞的情況時(shí)有發(fā)生。本文考慮土體的力學(xué)特性和土與結(jié)構(gòu)接觸面上的變形特性,用自編的三維彈性—非線性有限元程序?qū)υ诹熊嚭奢d及墻背填土作用下重力式擋土墻上的土壓力進(jìn)行計(jì)算,分析墻高對(duì)土壓力的影響。2計(jì)算模型和參數(shù)2.1模型構(gòu)建和邊界條件文獻(xiàn)指出,列車輪載的影響范圍一般為7根軌枕,《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(以下簡稱《暫規(guī)》)規(guī)定正線每公里鋪設(shè)軌枕1667根,所以計(jì)算寬度沿線路縱向選取4m,在線路橫斷面垂直方向和水平方向各取5倍墻高作為計(jì)算域。模型底邊界豎向位移約束,土體邊界沿其邊界面法向位移約束,其他方向位移自由。擋墻與墻背填土、擋墻與地基、擋墻基礎(chǔ)與墻前回填土之間都設(shè)置了三維Goodman無厚度的摩擦單元。參考文獻(xiàn)、,墻頂寬度取0.5m,基礎(chǔ)埋置深度為1.0m。擋墻墻背直立,墻胸坡度為1?0.25。擋墻計(jì)算網(wǎng)格示意見圖1。2.2基床及基床材料參數(shù)(1)擋土墻后由上往下依次為:0.7m厚的基床表層、2.3m厚的基床底層,路堤填料,地基。墻身材料為混凝土,變形較小,用線彈性單元模擬;基床范圍內(nèi)填料力學(xué)性質(zhì)較好,壓實(shí)度高,亦用線彈性單元模擬;基床以下填料及地基采用鄧肯—張模型單元。(2)混凝土等級(jí)為C15,計(jì)算參數(shù)參考文獻(xiàn)、選取;基床表層和基床底層參數(shù)根據(jù)《暫規(guī)》中的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)K30系數(shù)反推而得;基床下填料及地基單元的鄧肯—張模型參數(shù)參考文獻(xiàn)選取。各計(jì)算參數(shù)見表1～表3。3按路基面進(jìn)行的荷載計(jì)算荷載包括兩部分:一是線路上部結(jié)構(gòu)的重量即靜荷載;二是列車行駛輪載通過上部結(jié)構(gòu)傳遞到路基面上的動(dòng)應(yīng)力,即動(dòng)荷載。根據(jù)《暫規(guī)》,路基上的軌道及列車荷載可換算成3.2m高、3.4m寬的土柱(重度為19kN/m3),換算得路基面上靜荷載為寬3.4m、荷載集度為60.8kPa的均布荷載。為了考慮高速列車動(dòng)荷載對(duì)擋土墻的影響,將上部結(jié)構(gòu)的軌道靜荷載換算成分布寬為3.4m、荷載集度為20kPa的均布荷載;列車動(dòng)荷載簡化成在路基面上同樣分布寬度、大小為100kPa的均布荷載。按路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面換算的荷載位置見圖2。計(jì)算中荷載按填土自重荷載、換算土柱荷載和動(dòng)應(yīng)力荷載三種情況考慮:(1)填土自重荷載:包括墻后填土和擋墻上部路堤填土所產(chǎn)生的荷載。(2)換算土柱靜荷載:路基上的軌道及列車荷載換算成3.4m寬、荷載集度為60.8kPa的均布荷載。(3)列車動(dòng)荷載:列車產(chǎn)生的動(dòng)荷載簡化成在路基橫斷面分布寬度為3.4m,大小為100kPa的均布荷載。4墻高的影響保持路基上部荷載大小與位置不變,分別計(jì)算墻高為3m、6m、8m、10m和12m時(shí)荷載對(duì)擋墻墻背產(chǎn)生的土壓力,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。5墻壁土壓力分布計(jì)算不同高度擋土墻墻背土壓力,其結(jié)果見圖3。(1)從圖3(a)、(b)可見,荷載產(chǎn)生的土壓力分布曲線約在0.25H范圍近似線性增加,之后呈曲線衰減。土壓力最大值位置隨著墻高的增加逐漸下移,但下移幅值越來越小。這表明當(dāng)墻高大于一定高度后,土壓力最大值出現(xiàn)在某一深度附近,該深度以上土壓力隨著墻高的增加逐漸增大,該深度以下,土壓力呈衰減趨勢。(2)從圖3(c)可以看出,填土自重產(chǎn)生的土壓力大部分范圍沿墻背隨深度近似線性增長。下部土壓力分布呈凸曲線,在墻頂以下約0.80～0.85H處土壓力達(dá)到最大值,其后土壓力突衰變小。墻踵附近土壓力減小的原因有二:一是墻、土接觸面的剪應(yīng)力與部分垂直土壓力平衡,使擋墻附近的垂直土壓力小于γh,側(cè)向土壓力亦減小;二是地基對(duì)填土的摩擦阻礙作用,墻底土體向擋墻的位移減小,土壓力隨之減小。(3)從圖3(d)發(fā)現(xiàn),在總荷載(填土自重+動(dòng)荷載)作用下,擋墻較低時(shí)(≤8m),墻背最大土壓力大約出現(xiàn)在0.3H處,而擋墻較高時(shí)(10m,12m),墻背最大土壓力位置降低,出現(xiàn)在0.5H以下。分析其原因,擋墻較低時(shí),在擋墻上部,荷載土壓力較自重土壓力所占比重大,總土壓力受荷載土壓力控制,總土壓力拐點(diǎn)亦受荷載土壓力控制;而擋墻較高時(shí),則自重土壓力占總土壓力比重更大,總土壓力拐點(diǎn)則受自重土壓力控制。6墻高、土壓力(1)填土自重產(chǎn)生的土壓力在墻頂以下約0.25H內(nèi)隨深度近似呈線性增長,在墻頂以下約0.80～0.85H處土壓力達(dá)到最大值,其后土壓力逐漸減小,下部土壓力分布呈凸曲線。(2)當(dāng)墻高大于一定高度后,荷載產(chǎn)生的土壓力最大值出現(xiàn)在某一深度附近,該深度以上土壓力隨著墻高的增加逐漸增大;該深度以下,隨墻高的增加土壓力將呈衰減趨勢。(3)當(dāng)其它條件不變而擋墻高度變化時(shí),填土