防洪防潮工程懸臂式擋墻土壓力數(shù)值研究

郭樹(shù)仰

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 福州 350000）

懸臂式擋墻憑借著厚度小、形式簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)在支擋工程中被廣泛應(yīng)用。防洪防潮工程中，要求對(duì)懸臂式擋墻的土體壓力做出科學(xué)計(jì)算，防止擋墻在破壞后對(duì)交通造成阻礙。在擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)選材料與方法，做好模型槽的合理設(shè)計(jì)，完善施工監(jiān)測(cè)方案，按照墻背土壓力分布規(guī)律做好主動(dòng)土壓力分析。

1 懸臂式擋墻特點(diǎn)分析

一般情況下，懸臂式擋墻主要包含立壁和墻底板兩部分，整體呈現(xiàn)出倒“T”型結(jié)構(gòu)。與其他擋墻結(jié)構(gòu)相比，懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較輕，且擋墻結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，其穩(wěn)定程度和墻身自重、墻踵板具體位置的填土重力有關(guān)。與傳統(tǒng)的重力式擋墻結(jié)構(gòu)相比，懸臂式擋墻的墻踵板更長(zhǎng)，與地基緊密聯(lián)系，墻的重心更加傾向于填土一側(cè)，因此懸臂式擋墻抗滑能力很強(qiáng)，抗傾覆性能較好，墻體十分穩(wěn)定。懸臂式擋墻的斷面小，墻面板不是很厚，對(duì)墻體施加土壓力的時(shí)候容易破壞擋墻，為避免墻身彎矩過(guò)大，墻面板高度應(yīng)設(shè)置在5 m 左右。防洪防潮工程中，懸臂式擋墻會(huì)受墻高因素影響，可以在已有的擋墻中，在墻頂位置疊加懸臂式擋墻，將二者結(jié)合后，使高擋墻被劃分為2 個(gè)矮擋墻，從而達(dá)到抗滑移和抗傾覆的效果。在發(fā)揮組合式擋墻作用的同時(shí)，不宜在墻趾位置填土施工，如果缺乏墻前被動(dòng)土壓力，這時(shí)懸臂式擋墻的抗滑能力較多。為了保證擋墻穩(wěn)定，讓組合式的矮擋墻成為一個(gè)整體，建議在墻底板位置植入錨桿，憑借錨桿的抗滑能力，使墻體可以承受滑動(dòng)力，讓擋墻時(shí)刻保持穩(wěn)固，發(fā)揮其在防洪防潮工程中的作用[1]。

2 防洪防潮工程懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料與方法

對(duì)模型槽進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，確保底板、擋板以及墊層部位的規(guī)范性。比如底板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用厚度為2 cm 的A3 鋼板焊接成底板，尺寸為240 cm×130 cm×40 cm。對(duì)底板內(nèi)部充實(shí)處理，應(yīng)用砂體材料壓實(shí)底板，保證模型穩(wěn)定。側(cè)向擋土板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用玻璃板與之相連，內(nèi)部鏈接也用玻璃板，以此方便獲取參數(shù)資料。上部設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置反力裝置，為模型槽提供80 kN 豎向反力。

2.1.2 監(jiān)測(cè)方案

對(duì)模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，記錄靜止土壓力分布規(guī)律和上覆荷載變化規(guī)律等數(shù)據(jù)，上覆荷載在6 kPa～24 kPa 范圍內(nèi)，共有7 個(gè)等級(jí)，等級(jí)間相差3 kPa。監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用電阻式土壓力盒，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況監(jiān)測(cè)壓力變化狀態(tài)，應(yīng)用千分表觀察并測(cè)量懸臂式擋墻實(shí)際位移情況。應(yīng)用AB 膠固定電阻式壓力盒與千分表，確保受力均勻，可鋪撒一層細(xì)砂，選用河沙為模型的填筑材料，內(nèi)摩擦角為35°，密度為1800 kg·m-3，含水率3.4%，壓縮模量為27 MPa，懸臂式擋墻彈性模量為200GPa。

2.1.3 模型槽填筑與模型建立

在填筑懸臂式擋墻模型槽的時(shí)候，應(yīng)重視質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)模型槽分層處理，保證每層厚度在20 cm 左右，隨后填充，再用機(jī)器夯實(shí)，在距離擋墻20 cm 左右的位置采用人力夯實(shí)方法，填充完成后做好記錄工作。應(yīng)用FLAC3D 軟件構(gòu)建懸臂式擋墻模型，保證本研究的準(zhǔn)確性，底部墊層厚度是1 m，兩側(cè)和底部經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度約束，使模型更加符合實(shí)際工作狀態(tài)。依靠模型對(duì)擋墻墻背土壓力影響因素做出細(xì)化研究，探究上覆荷載、混凝土強(qiáng)度等條件對(duì)土壓力分布的影響[2]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，擋墻模型在確立時(shí)應(yīng)綜合考慮墻高、墻厚、底板寬與底板厚幾個(gè)因素，根據(jù)以上因素選擇36 組樣本，其中28 組學(xué)習(xí)樣本和8 組檢驗(yàn)樣本，應(yīng)用FLAC3D 有限差分軟件隨機(jī)計(jì)算擋墻穩(wěn)定性，見(jiàn)表1。

表1 擋墻設(shè)計(jì)斷面尺寸因素搜索范圍

應(yīng)用8 組檢驗(yàn)樣本對(duì)模型展開(kāi)精度檢驗(yàn)，見(jiàn)圖1，期望輸出為樣本計(jì)算安全系數(shù)，預(yù)測(cè)輸出為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者數(shù)值接近，沒(méi)有明顯差異變化，說(shuō)明預(yù)測(cè)值穩(wěn)定。

教學(xué)過(guò)程由一個(gè)個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)組成，一個(gè)個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)好比是粒粒珍珠，而各環(huán)節(jié)間的過(guò)渡語(yǔ)則是串連珍珠之間的絲線，缺少這條線，再好的珍珠也成不了美麗的項(xiàng)鏈。因此我們要充分注意教學(xué)過(guò)程中過(guò)渡語(yǔ)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用。我在講《圓明園的毀滅》一課時(shí)，根據(jù)教材內(nèi)容，在二、三段設(shè)計(jì)了這樣的過(guò)渡語(yǔ)：

圖1 模型預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖

圖2 中，預(yù)測(cè)結(jié)果的最大絕對(duì)誤差為0.0053，最大相對(duì)誤差為0.39%，最終預(yù)測(cè)結(jié)果精度可滿足擋墻邊坡穩(wěn)定需求。

圖2 模型預(yù)測(cè)輸出值誤差情況

2.2 懸臂式擋墻技術(shù)探索

經(jīng)過(guò)實(shí)際工程研究發(fā)現(xiàn)，懸臂式擋墻容易受到墻高的限制，建議采用組合結(jié)構(gòu)形式，即重力式擋墻與懸臂式擋墻疊加后，將高擋墻劃分為兩個(gè)矮擋墻，憑借墻底板長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮擋墻在抗滑移方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。上文提到了應(yīng)用錨桿提高擋墻固定效果，但這種錨桿不是傳統(tǒng)意義的錨桿，以往的錨桿需要依靠土體、注漿體、錨桿間粘結(jié)力或抗拔力阻止土體發(fā)生滑移。在防洪防潮工程中用到的錨桿更像是地錨，憑借錨桿為擋墻提供的抗滑力，在滑動(dòng)面中產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度?；瑒?dòng)面指的是擋墻墻底板和下部墻頂填土線之間的接觸面，從嚴(yán)格意義上來(lái)講屬于潛在滑動(dòng)面，由于其受力復(fù)雜，建議將地錨進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使其被簡(jiǎn)化為抗滑樁受力模式。

3 防洪防潮工程懸臂式擋墻土壓力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 墻背土壓力分布規(guī)律

經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，擋墻上部位移區(qū)間在-0.1 mm～0.15 mm 之間，擋墻的受力狀態(tài)為靜止土壓力，經(jīng)過(guò)模擬研究，得出懸臂式擋墻的墻背土壓力分布情況，見(jiàn)圖3，前兩者壓力分布規(guī)律相同，K0理論計(jì)算卻不同，模型試驗(yàn)應(yīng)用機(jī)械碾壓夯實(shí)方法，碾壓效果中加入了附加應(yīng)力，所以模擬數(shù)值會(huì)偏大。在擋墻1/8 高度處出現(xiàn)拐點(diǎn)，墻背土壓力會(huì)隨著高度的增加而降低。

圖3 懸臂式擋墻墻背土壓力分布情況

經(jīng)研究得知，墻踵對(duì)懸臂式擋墻底部壓力分布情況有較大的影響，導(dǎo)致曲線中出現(xiàn)了拐點(diǎn)，在設(shè)計(jì)擋墻時(shí)應(yīng)考慮墻踵作用，根據(jù)不同范圍的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)擋墻，采用分段式方法，在拐點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)用K0理論計(jì)算方法、模擬實(shí)驗(yàn)完成懸臂式擋墻的模型建立。

3.2 墻背土壓力影響分析

3.2.1 上覆荷載

懸臂式擋墻墻背土壓力分布會(huì)在上覆荷載作用下呈“S”型，擋墻與墻踵在10 cm 向上的位置處出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)閴Ρ惩翂毫κ芨郊雍奢d與填土自重應(yīng)力的影響。懸臂式擋墻的高度在降低時(shí)，附加荷載對(duì)墻體的影響不斷減小，但是填土依然存在自重應(yīng)力，對(duì)墻體產(chǎn)生的壓力不斷增大。通過(guò)數(shù)值模擬得知懸臂式擋墻墻背壓力經(jīng)過(guò)上覆荷載作用后結(jié)果一致。

3.2.2 混凝土強(qiáng)度

分別選擇五種強(qiáng)度的混凝土，采用數(shù)值模擬的方法得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖4。懸臂式擋墻墻背土壓力規(guī)律沒(méi)有因?yàn)榛炷翉?qiáng)度變化而出現(xiàn)較大改變，最大點(diǎn)位置與量值基本一致，而混凝土強(qiáng)度與懸臂式擋墻土壓力保持正比關(guān)系，混凝土強(qiáng)度增大時(shí)，土壓力也會(huì)增大，但幅值卻在縮小。K0理論計(jì)算后的數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)值間在20 cm 左右的壓力值處有交點(diǎn)，墻擋底部低于20 cm 的時(shí)候，K0理論值比試驗(yàn)值小，超過(guò)20 cm 時(shí)理論值超過(guò)試驗(yàn)值，這是因?yàn)閼冶凼綋鯄Τ霈F(xiàn)了一定程度的變形與外傾現(xiàn)象，導(dǎo)致墻土壓力改變，從被動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)為主動(dòng)土壓力，所以數(shù)值會(huì)減小。

圖4 不同強(qiáng)度混凝土墻背土壓力分布情況

3.2.3 擋墻寬高比

除了上覆荷載和混凝土強(qiáng)度這兩方面影響因素，擋墻寬高比也會(huì)對(duì)墻體壓力分布產(chǎn)生影響。選取不同擋墻寬高比展開(kāi)研究，得知擋墻寬高比對(duì)懸臂式擋墻上部30 cm 范圍內(nèi)的土壓力影響較大。擋墻寬高比不斷增加，墻背土壓力也在不斷增大。不僅如此，擋墻寬高比對(duì)擋墻上部土壓力更大，對(duì)下部土壓力影響比較小[3]。

3.3 懸臂式擋土墻主動(dòng)土壓力分析

3.3.1 靜荷載作用下的計(jì)算方法

對(duì)分級(jí)墻背條件下的擋墻土壓力進(jìn)行計(jì)算分析。首先，上墻土壓力計(jì)算，采用庫(kù)侖土壓力理論完成墻背土壓力計(jì)算與分析，如果墻背粗糙度較大，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是墻背比較陡，但是傾角很小，那么假設(shè)就會(huì)成立；另一種情況及時(shí)墻背比較緩，但傾角很大，這時(shí)墻后土體如果受到破壞，滑動(dòng)土楔可能不會(huì)按照原本方向滑動(dòng)，導(dǎo)致第二破裂面發(fā)生。下面公式為作用在擋墻第2 滑裂面上的土壓力情況：

式中：α 和θ 分別是第1 滑裂面與第2 滑裂面同豎直面之間的夾角；q 指的是擋墻墻踵和立板頂之間的連線夾角。如果此時(shí)懸臂式擋墻的填土使用的是無(wú)粘性土；γ 為容重；Φ 為內(nèi)摩擦角；δ 為懸臂式擋墻墻背和填土的摩擦角；Ka為懸臂式擋墻的主動(dòng)土壓力系數(shù)。

其次，計(jì)算懸臂式擋墻的下墻土壓力情況，由于目前防洪防潮工程中多采用二級(jí)懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)，其中包含2 個(gè)單級(jí)懸臂式擋墻組合而成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。分析下部分墻體對(duì)整個(gè)墻體的影響，探究是否會(huì)出現(xiàn)第2 破裂面，將作用在下墻部位的上墻自重和填土荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載進(jìn)行計(jì)算，使懸臂式擋墻下墻土壓力結(jié)果更加精準(zhǔn)。假設(shè)墻高度為H，那么第2 破裂面上土壓力的計(jì)算采用以下公式：

式中：Ka為擋墻主動(dòng)土的壓力系數(shù)；γ 為填土容重結(jié)果；h 為換算土柱。

3.3.2 振動(dòng)作用下的動(dòng)土壓力計(jì)算方法

防洪防潮工程中，擋墻需要在振動(dòng)作用下使用，其動(dòng)態(tài)壓力計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果不僅與振動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，也與墻后填土、擋墻振動(dòng)特性保持聯(lián)系。采用擬靜力法，在靜土壓力庫(kù)倫理論應(yīng)用下，分析水平方向與豎向方向振動(dòng)對(duì)墻體的影響，對(duì)擋墻邊界參數(shù)做出調(diào)整，具體公式如下：

將新的參數(shù)用于主動(dòng)土壓力計(jì)算公式中，整理之后得出振動(dòng)條件下懸臂式擋墻主動(dòng)土的壓力計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)上述研究得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，在懸臂式擋墻中，高度對(duì)墻背土壓力影響是最大的，1/8 高度范圍內(nèi)墻背土壓力分布規(guī)律有序，在墻踵位置，墻背土壓力減小。在上覆荷載中，上覆荷載和土壓力的規(guī)律呈現(xiàn)出“S”形狀，此時(shí)墻背土壓力同時(shí)受填土自重應(yīng)力與附加荷載影響?；炷翉?qiáng)度方面，墻背土壓力會(huì)因?yàn)榛炷翉?qiáng)度加強(qiáng)而增大，但是壓力變化幅值卻呈現(xiàn)出逐漸變小的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)土壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還應(yīng)從靜荷載作用和振動(dòng)作用兩方面考慮，充分了解防洪防潮工程中懸臂式擋墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，針對(duì)防洪防潮工程實(shí)際情況設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬對(duì)模型的合理性做出驗(yàn)證，探究上覆荷載、混凝土強(qiáng)度以及擋墻寬高比對(duì)擋墻土壓力的影響，為后續(xù)擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。