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摘要：结合高填方路基挡土墙施工实践，对常规挡土墙形状进行了改动，提出多个尺寸方案，利用有限元理论及计算分析软件ANSYS对这些新形挡土墙进行了计算，从中选择满足要求的最佳形式，体现了有限元在计算挡土墙方面的便捷性，为类似挡土结构计算提供参考。
关键词：有限元；计算软件 ； 挡土墙
Abstract: the combination of high fill subgrade retaining wall construction practice, the conventional retaining wall shape was changed, the more the size of the program, the use of finite element theory and analysis software ANSYS of these new type retaining wall are calculated, from which to choose best meet the formal requirements, reflects the convenience of finite element method in the calculation of retaining wall respect, offer reference for similar retaining structure calculation.
Keywords: finite element calculation software; retaining wall;
中图分类号： TU476+.4文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
一、工程概况
某道路工程全长4.3公里，路基宽度22米，双向四车道布设，两侧设置4米宽绿化带，道路等级为一级，设计时速80公里，路基为填方路基，高填方路段长3公里，全部采用重力式片石混凝土挡墙，项目工期为五个月。
由于受天气及征地拆迁工作的影响，工期缩短二十余天，在这种情况下，为确保高填方路段回填质量，经各方研究后决定采用“包砂法”进行施工，即首先完成两侧挡墙的施工，然后回填砂或砂砾，采用水压法使其密实。这种方法有两个优点：一是能以充分利用当地充足的砂资源，节约成本和时间，二是砂的密实度较土更容易保证。
原设计采用的衡重式挡墙（高度为5-8m），由于下部墙身胸墙坡角向外，再加上此部分混凝土体量大，浇筑过程中混凝土对模板及支撑体系压力较大，容易造成脹模、跑模现象的发生，经各方研究，决定采用一种组合式挡墙进行施工（见图一），这种组合式挡墙结构融合俯斜式和台阶式挡墙的特点，解决了支模难的问题，缺点是混凝土用量较衡重式大，增加了投资，在这种情况下，如何在保证挡土墙稳定的前提下减小混凝土用量成为首要问题。本文以7m高挡土墙为例通过有限元计算软件ANSYS对结构受力和变形进行了计算，以找到最佳挡墙尺寸。
二、有限元模型建立、计算过程和结果
1、施工步骤：挡墙内回填砂的密实度主要采用水压法配合机械碾压来实现，回填砂之前首先对原地面进行防渗和排水处理（做40cm 6%石灰改善土，压实度不低于96%，并设横坡和纵坡），防止水压砂时的水下渗破坏基础，然后每回填50cm砂后进行一次水压，压实度达到要求后进行下层回填，如此分层回填至路基底标高后进行碾压并按要求施工路基和路面，
2、参数选取
(1)挡墙尺寸，结合实际情况，已确定的挡墙尺寸有（见图一）：
b=h3=80cm; c=40cm; d=80cm;h=820cm;e=700cm;f=60cm
待定的尺寸是a 、h1和g，其中a的大小与墙背的坡度i有关，为找到最优挡墙形式，分别设h1、g和i各有两个取值，这样挡墙共有8种尺寸形式，各种形式的h1、g和i取值组合情况见表1。
表1挡墙各种尺寸组合
(2)荷载参数选取
荷载按最不利情况取值，即选择常用作用组合中的Ⅲ，见表2：
表2常用作用（或荷载）组合表
永久荷载中由于地下水位较低，不考虑水位的浮力及静水压力，可变荷载中主要是车辆荷载引起的土侧压力，本项目路面结构设计为半刚性路面，路面对其上的车辆荷载的分散作用较大，车辆荷按相关细则取车辆附加荷载标准值q=13.75kN/m2（由于挡墙上设置排水孔及其他阻水进入和排水措施，其他可变荷载影响很小，不予考虑）。
（3）土体参数选取：弹性模量为3.8×107Pa，泊松系数为0.23，密度为1900kg/m3,不考虑黏聚力，摩擦角和膨胀角均为37°，墙底与土的摩擦系数为0.45。
（4）挡土墙参数选取：C30片石混凝土，弹性模量为2.6×1010Pa，泊松系数为0.167，密度为2500kg/m3。
（5）接触单元：接触单元选用CONTA172，目标单元选用TARGE169。
3、模型建立：由于挡土墙长度较大，按平面应变问题建模，土体尺寸根据现场情况确定，深度取原地面以下6米，挡墙外侧取6米，由于道路以中线对称，故挡土墙内侧取11米宽。模型图见图二：
图二有限元模型图
4、有限元计算结果：以第一主应力为分析对象，经ANSYS计算后，表明各挡墙形式的第一主拉应力均发生在基础底面，背墙正下方位置，第一主压应力均发生在背墙与基础交角处，其数值见表三。
表三各挡墙形式的第一主应力计算结果
以挡墙位移为分析对象，计算结果表明，各种挡墙形式的最大位移均发生在墙顶，最小位移均发生在基础底，位移计算数值见表四。
表四各种形式挡墙位移计算结果
从混凝土用量方面考虑，各形式挡土墙截面面积见表五。
表五各种尺寸下的挡土墙截面面积
挡墙形式 1 2 3 4 5 6 7 8
截面面积(m2) 13.722 15.322 12.972 14.322 17.084 18.684 16.334 17.684
5、稳定性验算：通过挡墙第一主应力、位移及混凝土用量三方面考虑，选择第三种尺寸形式挡土墙，对它进行稳定性验算如下：
（1）抗滑动稳定系数Ke计算公式：
Ke===2.06＞[1.2]
满足抗滑稳定要求（式中各参数意义见参考文献1第27页）。
（2）抗倾覆稳定系数K0
K0=
==1.38＞[1.3]
满足抗倾覆稳定要求。
三、结论
此道路建成通车至今已半年有余，通过定期监测数据表明挡墙稳定，证明了有限元计算软件在挡墙选形计算的可靠性和便捷性，为计算机模拟挡墙施工提供了参考，提高了设计效率。
参考文献：
[1]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则[U]. 北京：人民交通出版社，2008.
[2]刘成宇.土力学[TU].西南交通大学.北京：中国铁道出版社，2001.
关键词：有限元；计算软件 ； 挡土墙
Abstract: the combination of high fill subgrade retaining wall construction practice, the conventional retaining wall shape was changed, the more the size of the program, the use of finite element theory and analysis software ANSYS of these new type retaining wall are calculated, from which to choose best meet the formal requirements, reflects the convenience of finite element method in the calculation of retaining wall respect, offer reference for similar retaining structure calculation.
Keywords: finite element calculation software; retaining wall;
中图分类号： TU476+.4文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
一、工程概况
某道路工程全长4.3公里，路基宽度22米，双向四车道布设，两侧设置4米宽绿化带，道路等级为一级，设计时速80公里，路基为填方路基，高填方路段长3公里，全部采用重力式片石混凝土挡墙，项目工期为五个月。
由于受天气及征地拆迁工作的影响，工期缩短二十余天，在这种情况下，为确保高填方路段回填质量，经各方研究后决定采用“包砂法”进行施工，即首先完成两侧挡墙的施工，然后回填砂或砂砾，采用水压法使其密实。这种方法有两个优点：一是能以充分利用当地充足的砂资源，节约成本和时间，二是砂的密实度较土更容易保证。
原设计采用的衡重式挡墙（高度为5-8m），由于下部墙身胸墙坡角向外，再加上此部分混凝土体量大，浇筑过程中混凝土对模板及支撑体系压力较大，容易造成脹模、跑模现象的发生，经各方研究，决定采用一种组合式挡墙进行施工（见图一），这种组合式挡墙结构融合俯斜式和台阶式挡墙的特点，解决了支模难的问题，缺点是混凝土用量较衡重式大，增加了投资，在这种情况下，如何在保证挡土墙稳定的前提下减小混凝土用量成为首要问题。本文以7m高挡土墙为例通过有限元计算软件ANSYS对结构受力和变形进行了计算，以找到最佳挡墙尺寸。
二、有限元模型建立、计算过程和结果
1、施工步骤：挡墙内回填砂的密实度主要采用水压法配合机械碾压来实现，回填砂之前首先对原地面进行防渗和排水处理（做40cm 6%石灰改善土，压实度不低于96%，并设横坡和纵坡），防止水压砂时的水下渗破坏基础，然后每回填50cm砂后进行一次水压，压实度达到要求后进行下层回填，如此分层回填至路基底标高后进行碾压并按要求施工路基和路面，
2、参数选取
(1)挡墙尺寸，结合实际情况，已确定的挡墙尺寸有（见图一）：
b=h3=80cm; c=40cm; d=80cm;h=820cm;e=700cm;f=60cm
待定的尺寸是a 、h1和g，其中a的大小与墙背的坡度i有关，为找到最优挡墙形式，分别设h1、g和i各有两个取值，这样挡墙共有8种尺寸形式，各种形式的h1、g和i取值组合情况见表1。
表1挡墙各种尺寸组合
(2)荷载参数选取
荷载按最不利情况取值，即选择常用作用组合中的Ⅲ，见表2：
表2常用作用（或荷载）组合表
永久荷载中由于地下水位较低，不考虑水位的浮力及静水压力，可变荷载中主要是车辆荷载引起的土侧压力，本项目路面结构设计为半刚性路面，路面对其上的车辆荷载的分散作用较大，车辆荷按相关细则取车辆附加荷载标准值q=13.75kN/m2（由于挡墙上设置排水孔及其他阻水进入和排水措施，其他可变荷载影响很小，不予考虑）。
（3）土体参数选取：弹性模量为3.8×107Pa，泊松系数为0.23，密度为1900kg/m3,不考虑黏聚力，摩擦角和膨胀角均为37°，墙底与土的摩擦系数为0.45。
（4）挡土墙参数选取：C30片石混凝土，弹性模量为2.6×1010Pa，泊松系数为0.167，密度为2500kg/m3。
（5）接触单元：接触单元选用CONTA172，目标单元选用TARGE169。
3、模型建立：由于挡土墙长度较大，按平面应变问题建模，土体尺寸根据现场情况确定，深度取原地面以下6米，挡墙外侧取6米，由于道路以中线对称，故挡土墙内侧取11米宽。模型图见图二：
图二有限元模型图
4、有限元计算结果：以第一主应力为分析对象，经ANSYS计算后，表明各挡墙形式的第一主拉应力均发生在基础底面，背墙正下方位置，第一主压应力均发生在背墙与基础交角处，其数值见表三。
表三各挡墙形式的第一主应力计算结果
以挡墙位移为分析对象，计算结果表明，各种挡墙形式的最大位移均发生在墙顶，最小位移均发生在基础底，位移计算数值见表四。
表四各种形式挡墙位移计算结果
从混凝土用量方面考虑，各形式挡土墙截面面积见表五。
表五各种尺寸下的挡土墙截面面积
挡墙形式 1 2 3 4 5 6 7 8
截面面积(m2) 13.722 15.322 12.972 14.322 17.084 18.684 16.334 17.684
5、稳定性验算：通过挡墙第一主应力、位移及混凝土用量三方面考虑，选择第三种尺寸形式挡土墙，对它进行稳定性验算如下：
（1）抗滑动稳定系数Ke计算公式：
Ke===2.06＞[1.2]
满足抗滑稳定要求（式中各参数意义见参考文献1第27页）。
（2）抗倾覆稳定系数K0
K0=
==1.38＞[1.3]
满足抗倾覆稳定要求。
三、结论
此道路建成通车至今已半年有余，通过定期监测数据表明挡墙稳定，证明了有限元计算软件在挡墙选形计算的可靠性和便捷性，为计算机模拟挡墙施工提供了参考，提高了设计效率。
参考文献：
[1]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则[U]. 北京：人民交通出版社，2008.
[2]刘成宇.土力学[TU].西南交通大学.北京：中国铁道出版社，2001.