隨機荷載下重力式擋土墻穩(wěn)定性分析

隨機荷載下重力式擋土墻穩(wěn)定性分析

在道路擋土墻的背面，由于車輛負荷的作用，土壤會產(chǎn)生額外的垂直壓力，從而產(chǎn)生額外的側(cè)壓，從而加速支撐墻的破壞。由于壓力的持續(xù)疊加，地板上有一個滑移體。當滑移體的運動加速度超過土墻的自己單位值時，土墻將失去穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的計算方法將墻背后的車輛負荷定義為整個路面的均勻旋轉(zhuǎn)負荷，并將其轉(zhuǎn)換為與填充重量相同的均勻土層。該計算方法沒有考慮道路與道路和擋土墻之間的距離。此外，由于車輛自身動載引起的側(cè)壓力和對地面的側(cè)壓力增加，而對地面的滑移阻力的計算不合理。因此，在計算方程和圖形的基礎(chǔ)上，基于土壤的動載特征，本文引入了三個參數(shù)：一個是隨機負荷引起的地面負荷側(cè)壓力系數(shù)，另一個是由動負荷本身引起的地面附近的側(cè)壓力系數(shù)，另一個是由動負荷本身引起的。在此基礎(chǔ)上，基于滑動力和抗滑力，建立了機械平衡方程。1支撐墻的穩(wěn)定性分析按照重力式擋土墻的破壞形式,分別采用抗滑力和抗滑力矩兩種分析方法對擋土墻的穩(wěn)定性進行分析.1.1擋土墻體受力分析如圖1所示,參照文獻的分析方法,為簡化計算可以作以下假設(shè):(1)土體干燥均質(zhì)無粘性;(2)墻背面光滑無摩擦;(3)是一個平面應(yīng)變問題.在動載荷作用下,一部分能量將沿著路面以及路面與土體的接觸面向周邊傳播,由此而直接形成對擋土墻的側(cè)壓力,因而這里考慮一個側(cè)壓系數(shù)ka1.而由于車輛載荷的不斷作用,土壓力的側(cè)壓力系數(shù)也會隨之改變,其改變值就是動載荷施加給土體的動載系數(shù)kas.同時,車輛在運行過程中一般不會沿著路邊緣行駛,因而應(yīng)考慮一個距離常數(shù)λ.根據(jù)極限平衡理論和朗金(Rankine)主動土壓力計算理論,在極限狀態(tài)下?lián)跬翂Φ氖芰顟B(tài)可以表示為:式中,q為公路某一截面內(nèi)作用于路面上的交通車輛等效載荷,kal為動載荷的側(cè)壓力系數(shù),λ表示車輛在通行過程中距離擋土墻邊緣的距離常數(shù),Ww為擋土墻的重量,kaw為擋土墻的側(cè)壓力系數(shù),Ws為滑移土體的重量,kas為動載荷增加的土體側(cè)壓力系數(shù),φ為土體的內(nèi)摩擦角,Ft表示墻體的摩擦力Ff=Wwμ,μ為摩擦系數(shù).式中,γ為土體的密度,其他符號意義見圖1.在實際工程中kaw趨向于0,所以式(1)就可以表示為:其中,式中最關(guān)鍵的參數(shù)就是滑移體的傾角α,求得這一參數(shù)就可以對破裂面進行預測,進而對擋土墻的結(jié)構(gòu)提出設(shè)計和加固要求.由此可以進一步對上式分析,不妨設(shè)x=tanα,于是經(jīng)過一系列變換,式(1)可以變成如下形式:各系數(shù)表示如下:根據(jù)以上兩式可以比較方便地求出臨界狀態(tài)下滑移體的傾角、重量以及滑移面與擋土墻邊緣的距離.1.2關(guān)于o點的極限平衡方程如圖2所示,為便于分析將滑移體和擋土墻分別分解成四個不同的塊體,這樣就比較容易地建立起關(guān)于O點的力矩極限平衡方程.式中,γ1,γ2分別表示擋土墻和土體的密度,其余符號參見圖2.由式(5),(7)和(8)可以得到:和前面的分析方法相似,通過以上兩式也可以比較方便的計算出滑移體的各種參數(shù).2極限破裂角的確定位于山東省泰安市境內(nèi)的205國道高峪鋪公鐵立交橋,是魯中地區(qū)的交通要道,平均日通車量達1.4萬輛.立交橋擋土墻高3～9m,平均高度6m,屬于片石混凝土重力式擋土墻.墻后填土為粘性土含少量的砂,砂的含量大約為5%.路面寬度為18m.擋土墻的斷面形狀如圖3所示.根據(jù)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)和勘察報告,有關(guān)計算參數(shù)為:Ww=268kN,λ=0.3,Y1=2.40t·m-3,Y2=按抗滑力分析方法,將表1中的值代入式(5)和式(6)中即可求得在臨界狀態(tài)下滑移體的傾角α.各系數(shù)計算值為A1=2.5785,A2=4.3881,A3=-107.2,B1=74.955,B2=0,C1=26.2449.由表2中的數(shù)據(jù)計算得:tanα=1.0079,所以α=45.2465°.并由此可以計算出破裂面距離擋土墻邊緣的距離為8.0640m.同理按照力矩分析的計算方法可以求得:A1=11.8922,A2=-11.3054,A3=4.902,B1=370.3012,B2=-46.7183,C1=369.12.根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以計算出tanα=1.1195,所以α=48.2503°,從而可以計算出極限破裂面距擋土墻邊緣的距離為7.1595m(以上計算在MAT-LAB5.3中完成).根據(jù)以上計算結(jié)果最終選擇擋土墻后填土的極限破裂角為:49°破裂面距擋土墻邊緣的距離為7.2m.3數(shù)值模擬3.1擋土墻結(jié)構(gòu)體系的建立按照上述實例,根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的實際情況建立如圖4的計算模型,并建立相應(yīng)的計算網(wǎng)格,每一個網(wǎng)格代表0.25m.結(jié)構(gòu)中主要包括路面、路基和擋土墻,材料各參數(shù)的選取如表1.3.2剖面作用時間對公路載荷,按路面一側(cè)有兩輛30t載重車并行同時作用在計算剖面上,載荷的集度為40kN/m,動載系數(shù)為1.5,動載頻率25Hz(如圖5),動載荷在單位剖面上的作用時間為0.11s.3.3交通荷載傳遞分析(1)應(yīng)力分析.如圖6～9所示,在公路交通載荷下?lián)跬翂Φ纳喜亢蛪︴嗵幎际菓?yīng)力集中區(qū).其中上部的應(yīng)力主要是來自車輛載荷,而墻踵處則是由回填土的體積力和車輛載荷共同作用的結(jié)果.從圖6來看,沿擋土墻的內(nèi)墻面及距離墻緣8m左右的區(qū)域剪應(yīng)變比最大,這說明在動載作用下這兩個區(qū)域的瞬時應(yīng)力也最大,因而最有可能被破壞.圖8中最大應(yīng)力張量出現(xiàn)的三個區(qū)域均緊鄰路面,說明車輛載荷中有相當一部分能量是通過路面與土體的接觸面沿著水平方向傳播,其中一部分被土體緩沖而另有一部分由擋土墻阻擋.(2)公路路基的位移分析.如圖10(圖中的距離表示路基距擋土墻邊緣的距離),其表示整個路面寬度(距離公路表面0.6m)在水平方向的質(zhì)點振動速度和位移變化情況,不難看出在距離擋土墻邊緣6m左右的地方是位移量最大的區(qū)域,而位移速度的最大值則出現(xiàn)在距墻體邊緣7m的位置,這和最大剪應(yīng)變比所在的位置基本一致.根據(jù)這一結(jié)果,可以認為在距離擋土墻邊緣6m的區(qū)域內(nèi)公路最容易出現(xiàn)破裂,當擋土墻失穩(wěn)后土體首先從這里形成滑移體的概率最大.(3)擋土墻的位移響應(yīng).擋土墻在車輛動載荷條件下不同位置的位移響應(yīng)曲線如圖11和圖12,其中單元(13,15)位于擋土墻中間,而單元(13,30)則位于擋土墻的頂部.從變化曲線來看,各單元體在水平方向上的位移響應(yīng)值均高于垂直方向,而位于擋土墻頂部的單元體,其在兩個方向上的位移響應(yīng)值又均高于中部位置的單元,這說明擋土墻上部是一個比較活躍的變形區(qū)域,在長期動載作用下有可能出現(xiàn)外傾失穩(wěn).由于墻體的頂部不承受垂向載荷,所以這一位置的載荷均來自交通動載.根據(jù)位移響應(yīng)值和能量守衡定律就可以計算出交通載荷在水平方向上的傳遞系數(shù).兩種分析方法的分析結(jié)果比較相近,所以前面所采用的分析方法是可行的.4滑移體計算方法的選取本文根據(jù)土體的動載特性,分析了土體在隨機車輛動載下的移動規(guī)律,以及由此引起的對公路擋土墻的破壞.根據(jù)土體和擋土墻的受力情況以及平衡條件.分別采用抗滑力分析和力矩分析方法建立了在隨機動載下重力式擋土墻——滑移體的系統(tǒng)極限平衡方程.根據(jù)這兩個方程就可以計算出滑移體的傾角以及