界面摩擦对装配式箱型通道的受力影响研究

丁楠，殷涛

摘  要：考虑土与结构的相互作用，建立二维有限元模型,探究通道与土界面摩擦系数以及地基刚度对装配式箱型通道受力的影响。研究表明：随着界面摩擦系数的提高，通道顶部的土压力越小，当顶部土压力的减小程度小于摩擦力的增大程度时，表现出基底应力增大现象；反之，则表现出基底应力减小现象；界面摩擦系数对结构最大弯矩影响较小，对结构最大轴力影响较大；在0.1~0.9摩擦系数取值范围内，前者变化幅度最大为6%，后者变化幅度最大为46.3%。

关键词：装配式箱型通道；二维有限元；界面摩擦系数；基底应力；弯矩；轴力

文章编号：0451－0712（20xx）-xxxx-xx中图分类号：U449.31文献标识码：A

0 引言

随着我国公路建设技术水平的提高，工业化建造技术已成为传统产业转型升级的重要途径。为实现通道结构装配化，安徽省经过不断探索，创新性地提出了四构件装配式通道，该通道具有工程质量好、施工速度快和成本造价低等诸多优点，目前已经在省内大量应用。

装配式通道包含箱型通道与管型通道两种形式。国内学者也进行过相关研究。文献[1-2]研究了土与装配式管型通道结构的相互作用以及通道结构的受力特性。文献[3]对地震作用下的管型通道结构动力反应特性进行了研究。文献[4-6]对管型通道周围土压力分布进行了理论和试验分析。文献[7-8]对管型通道提出土与通道联合作用的“有限元m法”计算方法。文献[9]对装配式箱型通道结构性能进行了理论与试验分析。但针对装配式箱型通道与土体的界面摩擦系数对结构受力的影响，尚未有文献进行研究。不同于常规的箱型通道，装配式箱型通道具有以下特点：（1）在顶板与侧墙接头位置设置铰接；（2）壁厚较薄，结构刚度较常规箱型通道小。而且，在一定受力条件下，结构与周围土体可能会发生相对滑移现象，这对结构受力有一定影响。

本文分别针对2m、5m与8m三种填土工况，通过数值模拟，探究通道与土体的界面摩擦系数对基底应力和通道结构内力的影响，以进一步探索装配式通道受力机理，补充完善理论研究成果，并可为工程实际提供参考。

1 装配式箱型通道介绍

本文以某高速公路工程中的装配式箱型通道为研究对象。该通道净空为4m×3.5m，壁厚为0.3m；箱型通道由四构件组成，其中顶板、侧墙为预制方式，底板为现浇方式，顶板与侧墙为铰接连接，详细尺寸如图1所示。

图1 装配式箱型通道断面图

根据地质勘查报告，确定分析中采用的主要材料参数见表1。通道两侧范围内采用级配碎石回填并夯实，基底以下采用40cm级配碎石及10cmC25混凝土进行处理，处理宽度每侧超出通道结构50cm。

表1 材料参数表

材料类型	E/MPa	泊松比μ	c/kPa	（°）	重度（kN/m3）
箱型通道（C40）	32500	0.2	-	-	25
回填土	20	0.35	50	30	18
地基土	10	0.42	10	25	17
级配碎石	350	0.2	0	42	21

2土体-通道有限元分析

2.1土体-通道有限元模型

本文采用ANSYS建立土体-通道相互作用的二维有限元模型。其中，土体选用平面应变单元PLANE82，箱型通道结构选用梁单元BEAM189，顶板与侧墙采用释放单元自由度的方式实现铰接。对于通道结构与土体的相互作用，利用ANSYS软件中的接触单元（接触对TARGE169和CONTA172）模拟。

图2 土体-通道相互作用有限元模型

通道结构材料采用线弹性模型模拟，土体材料采用理想弹塑性Drucker-Prager模型[4]模拟。

通道与填土之间的接触关系以库仑摩擦定律描述：

式中，为极限剪应力，若滑动力小于，认为接触面处于黏合状态，否则将发生相对滑移，为摩擦系数，为法向接触应力。

考虑到边界条件对通道周围应力状态的扰动影响以及计算精度要求，建模时通道两侧及地基土体取3倍通道结构尺寸[1]。

边界条件：地基土底部采用固定约束，土体两侧边界位置约束水平位移。

2.2界面摩擦系数对基底应力和结构内力的影响

2.2.1 通道顶部与基底土压力分布

图3给出了通道周围土压力典型分布规律。可以看出，通道顶部与底部应力均呈凹槽状非线性分布。前者是由于通道结构刚度远大于两侧的填土刚度，通道顶部上覆土柱与外侧土柱间存在着沉降差，进而产生相互作用的摩擦力（外侧土柱对通道顶部上覆土柱有向下的拖拽力），导致通道顶部产生明显的应力集中现象；后者是由于侧墙竖向轴力直接传至下方地基土，并逐渐在地基土中扩散，导致基底土压力应力集中。

图3 通道周围土压力分布（单位：Pa）

2.2.2 界面摩擦系数对基底应力的影响

通道与土体的界面摩擦系数与接触面的粗糙率呈正相关关系。图4至图6分别给出了2m填土高度下不同界面摩擦系数的通道顶部与基底土压力变化情况，5m与8m填土高度下的计算结果限于篇幅不再单独列出（下同）。

经计算，随着摩擦系数的提高：（1）顶部土压力逐渐减小，但降幅不大，且降幅与填土高度基本无关，当摩擦系数由0.1变至0.9时，三种填土高度下顶部土压力峰值下降15.8%左右；（2）2m填土高度下，通道基底应力峰值逐渐增大，当摩擦系数由0.1变至0.9时，增大89.6%；（3）5m填土高度以上时，基底应力峰值先快速增长，而后略有减小；（4）随着填土高度的增加,基底应力峰值增幅逐渐减小。

分析其原因，随着通道与土体界面摩擦系数的增大，周围土体对侧墙的摩擦力越大，侧墙对土体的约束作用越强，通道顶部上覆土柱与外侧土柱间的变形差越小，通道顶部的土压力越小。当顶部土压力的减小程度小于土体对侧墙摩擦力的增大程度时，基底应力表现出增大现象；反之，基底应力表现出减小现象。

图4 不同界面摩擦系数下，通道顶部土压力分布情况（填土2m）

图5 不同界面摩擦系数下，通道基底应力分布情况（填土2m）

图6 不同界面摩擦系数下，土对通道结构的竖向作用情况（填土2m）

2.2.3界面摩擦系数对结构内力的影响

图7所示的A、B、C、D点为通道结构受力最不利典型位置，分析时取A~D点作为最大内力观察点进行内力分析。

图7 通道结构受力最不利典型位置

图8、图9给出了2m填土高度下通道顶板、底板、侧墙最大弯矩、最大轴力随界面摩擦系数的变化规律。

图8 不同界面摩擦系数下，通道顶板、底板、侧墙最大弯矩变化情况（填土2m）

图9 不同界面摩擦系数下，通道顶板、底板、侧墙最大轴力变化情况（填土2m）

经计算，随着界面摩擦系数的增大：（1）通道顶、底板最大弯矩减小、侧墙最大弯矩增大；其中，底板最大弯矩变化幅度最大，最大值为6%；且随着填土高度的增加，各构件最大弯矩变化幅度逐渐增加；（2）顶板最大轴力减小、底板与侧墙最大轴力增大；侧墙最大轴力变化幅度最大，最大值为46.3%；且随着填土高度的增加，最大轴力变化幅度逐渐减小。

3 结论

通过以上分析可以看出：

（1）随着通道与土体界面摩擦系数的增大，通道顶部的土压力越小。当顶部土压力的减小程度小于摩擦力的增大程度时，表现出基底应力增大现象；反之，则表现出基底应力减小现象。

（2）界面摩擦系数对结构最大弯矩影响较小，对结构最大轴力影响较大；在0.1~0.9摩擦系数取值范围内，前者变化幅度最大为6%，后者变化幅度最大为46.3%；综合考虑地基沉降、压实度、排水等因素，建议工程设计中采用砂石等材料进行回填，其界面摩擦系数在0.4~0.9间。

参考文献

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[9] 胡可、杨晓光、陈发根,等.公路装配式钢筋混凝土通道[M].北京:人民交通出版社股份有限公司，2017.