陕北地区第四系风积沙挡土结构物受力研究

李瑞强

（安徽理工大学能源与安全学院,安徽 淮南 232001）

在土木、水利工程实践过程中，为了维持建设场地地基的稳定性，研究地基土与挡土结构物接触面的力学特性是一个重要课题[1]。由于挡土结构物与地基土之间的变形模量差距较大，位于第四系风积沙地基中的挡土结构物，其基底接触面的受力状态将影响挡土结构物的抗滑能力[2]。所以，本文将采用数值模拟法，对陕北地区第四系风积沙地基中的挡土结构物进行受力分析，有利于陕北地区面对第四系风积沙构筑挡土结构物时，采取相应工程措施以提高挡土结构物建造水准，并提高挡土结构物抗滑稳定性。

2 研究方案

有限元法的突出优点是适用于处理非线性、非匀质和复杂边界等问题，而土体应力变形分析中恰恰存在这些困难问题。有限元方法的应用，能比较好地解决这些困难，在挡土结构物受力理论分析中开辟了新的途径。

利用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构来分析土体的应力和变形，这些单元体只在结点处有力的联系。一般材料应力-应变关系可表示为：

利用有限单元法，可考虑土的非线性应力-应变关系，求得每一个计算单元的应力及变形后，便可根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况。若设法将局部破坏与整体破坏相联系起来，找到合适的临界滑面位置，再根据力的平衡关系推得安全系数，这样，就能将稳定问题与盈利分析结合起来。或者求出在各种工作状态下挡土结构物的应力分布状况，由地基土的性质确定一个破坏标准，以此来衡量挡土结构物的安全程度[3]。

土体的应急-应变关系是非线性的，反映到上式（1）中，矩阵[D]就不是常量，而是随着应力或者应变的变化而变化。

土体在英吉利作用下产生的变形一般是非线性的，在各种应力状态下都有塑性变形；土体在受力后有明显的塑性体积变形，而且在剪切时也会引起塑性体积变形（剪胀性）；土体受剪时发生剪应变，其中一部分为弹性剪应变，另一部分与土颗粒间相对错动滑移而产生塑性剪应变，剪应力引起剪应变，体积应力也会引起剪应变；土体还表现出硬化和软化特性，应力路径和应力历史对变形有影响，中主应力和固结压力对变形也有影响，而且表现出各向异性。一般根据土的变形特性建立土的本构模型。

3 结果与分析

3.1 挡土墙简化模型的建立

由于陕北地区较为干燥，土体含水率较低，基本可看作砂土，根据实际情况简化的模型示意图如图1所示。

图1 模型简化图

为简化分析过程，需要对模型做出以下几个基本假设：

土体为各项同性的弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb强度准则；

各土层均为水平分布；

挡土墙结构为混凝土材料浇筑，认为是各项同性的弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb强度准则。模型材料参数如表1所示。

表1 材料参数

Flac 3D模型如图2所示。挡土结构为截面为梯形的坝体结构，其中截面下底为5 m，上底为3 m，高为10 m，坝体长10 m。砂土体与混凝土坝体相接，底部长度为10 m，高度为7 m，宽度为10 m。

图2 Flac 3D模型

3.2 挡土墙受力稳定性分析

为模拟挡土墙受力情况，分别将坝体和砂土结构赋值，其参数如表1所示。假设二者均为各向同性的均质，利用Mohr-Coulomb准则计算二者在重力下的位移、应力和应变分布情况。

（1）挡土墙位移情况

根据计算结果绘制挡土墙和砂土模型的位移云图如图3所示。

图3 模型位移云图

如图3所示，由于挡土墙结构弹性模量及刚度较大，其位移量远远小于砂土模型，砂土模型的位移分布基本呈现层状分布，但在与挡土墙接触部分，其位移较同一层位的砂土有所减少，其云图等值线出现上移，这是因为挡土结构的存在阻挡了砂土的位移。

随着深度加深，砂土的位移量逐渐减小，最大位移出现在砂土结构表面，为1.085 5 cm，其底部位移几乎为0。挡土墙结构最大位移出现在顶部远离砂土的一侧，为0.2 mm，远远小于砂土位移。

（2）挡土墙应力情况

根据计算结果绘制挡土墙和砂土模型的应力云图如图4所示。

如图4所示，随着结构深度的加深，应力越来越大，由于砂土为松散体，其应力分布较均匀，基本呈现均布分布，挡土墙结构底部出现部分应力集中现象，其底部边角处应力值最大，达到0.36 MPa。

图4 模型应力云图

（3）挡土墙应变情况

根据计算结果绘制挡土墙和砂土模型的应变云图如图5所示。

图5 模型应变云图

如图5所示，模型的主要应变集中在挡土结构与砂土结构接触面，呈现狭长分布，随着深度的加深，其应变值有所减少，最大值出现在接触面顶端，达到1.35×10-2，但这部分应变主要出现在砂土结构内，砂土结构在与挡土墙接触后，其砂土颗粒与挡土墙结构产生摩擦，在重力作用下产生较大的位移，导致其应变量随之增大，由于挡土墙结构的内聚力和弹性模量较大，使其具有了较大的刚度，导致其应变较小，具有较好的稳定性。

4 结论

本文对挡土墙结构的受力特性进行了理论分析，并借助Flac 3D数值模拟软件，以陕北地区第四系风积沙挡土结构物材料特性为基础，对其位移云图、应力云图、应变云图进行了分析，得到主要结论如下。

利用有限元的思想可对挡土结构受力情况进行单独分析，并通过迭代算法，计算出结构物的受力情况。

对挡土墙结构进行数值模拟，通过分析其位移、应力、应变云图可发现，其位移主要发生在砂土结构内，且位移量随深度增加而增加。

砂土中的应力分布较为均匀，但挡土结构内出现应力集中，在其底部应力集中现象较为严重。

其应变主要发生在挡土结构与砂土的接触面上，由于砂土内聚力较小，其应变主要发生在砂土结构内。