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        黃河故道涵閘翼墻高坡組合面填土土壓力淺析

        2017-10-12 01:52:27
        水利水電快報(bào) 2017年9期
        關(guān)鍵詞:墻頂法分析后土

        (1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130021; 2.遼寧省江河流域管理局,遼寧 沈陽(yáng) 110003; 3.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061;4.中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司,陜西 西安 710043)

        黃河故道涵閘翼墻高坡組合面填土土壓力淺析

        周賀達(dá)1關(guān)青松2常廣品3王穎4

        (1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林長(zhǎng)春130021; 2.遼寧省江河流域管理局,遼寧沈陽(yáng)110003; 3.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200061;4.中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司,陜西西安710043)

        黃河故道涵閘工程位于鹽城市黃河故道兩側(cè)堤防的防洪線上,設(shè)計(jì)時(shí)考慮將翼墻墻頂高程做與青坎同高,墻后1∶4坡?tīng)钐钔恋降添?。墻體擋土高度為5 m,墻頂?shù)降添敻卟顬? m,填土高差值為1倍,該情況已經(jīng)超出了規(guī)范的理論公式范圍。針對(duì)這一情況,采用有限元數(shù)值模擬法、最大值連線法、無(wú)窮坡法展開(kāi)研究并進(jìn)行了對(duì)比分析,最終對(duì)高坡組合面填土墻后土壓力取值提出了合理建議,同時(shí)指出,為確保工程安全,實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)按折衷法計(jì)算土壓力。

        涵閘工程;組合面填土;填土墻;土壓力

        1 工程概況

        黃河故道涵閘工程位于江蘇省鹽城市黃河故道兩側(cè)堤防的防洪線上,堤頂高程達(dá) 10.0 m,河底高程為 0.5 m,建筑物級(jí)別為4級(jí),如果做成不越浪式翼墻,則翼墻規(guī)模較大,另外墻前與堤頂之間距離達(dá)20 m,填土量大。鑒于此,設(shè)計(jì)時(shí)將墻頂高程做與青坎(5.0 m)同高,墻體擋土高度為5 m,墻后1∶4坡?tīng)钐钔恋降添?10.0 m),形成高坡組合面填土形式,見(jiàn)圖1。

        圖1 黃河故道涵閘翼墻斷面結(jié)構(gòu)(單位:cm)

        《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中,已經(jīng)有明確的坡?tīng)钐钔翂笸翂毫τ?jì)算公式及土壓力分布簡(jiǎn)圖,詳見(jiàn)式(1)~(3)和圖2。

        ea1=γHdKa

        (1)

        ea2=γH0Ka

        (2)

        ea3=γzKa

        (3)

        圖2 坡?tīng)钐钔翂笸翂毫Ψ植?/p>

        式中,ea1表示填土高度為Hd、填土面為水平面計(jì)算的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,kPa;ea2表示填土高度為H0、填土面為水平面計(jì)算的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,kPa;ea3表示填土面坡角為β、填土高度z以上的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度,kPa;Hd表示擋土墻高度,m;H0表示擋土墻的高度與超過(guò)墻頂?shù)奶钔粮叨戎?,mm;z表示墻頂填土斜坡面與墻背連線交點(diǎn)至墻底的深度,m;γ表示擋土墻墻后填土的重度,kN/m3;Ka表示主動(dòng)土壓力系數(shù)。

        ea3式(3)中得出的Ka值稍大,在控制好墻后填土的情況下(墻后填土非粘性土的內(nèi)摩擦角為28°),ea3中的Ka為 0.402,大于ea1、ea2的Ka值 0.361。本文工程的填土高差值已經(jīng)達(dá)到1倍,0.402/0.361已經(jīng)無(wú)法消化,即ea2大于ea3,該分布圖在規(guī)范中沒(méi)有說(shuō)明,這種情況下的土壓力取值在目前屬于空白領(lǐng)域。近年來(lái),近水式駁岸在城市河道中用得越來(lái)越多,墻后的長(zhǎng)綠化坡廣受歡迎,已經(jīng)成為生態(tài)水利的一個(gè)標(biāo)志。駁岸后填土多屬于高坡組合面填土。因此,解決該空白領(lǐng)域的問(wèn)題不僅可為高坡組合面填土的擋土墻設(shè)計(jì)提供較準(zhǔn)確的墻后土壓力值,更可為大量景觀駁岸設(shè)計(jì)提供較合理的計(jì)算模式。

        對(duì)于高坡組合面填土這一空白領(lǐng)域,本文采用了3種研究方法,即有限元法、規(guī)范最大值連線法及規(guī)范無(wú)窮坡法進(jìn)行了對(duì)比分析,最終對(duì)高坡組合面填土墻后土壓力取值提出了合理的建議。

        2 研究方法

        2.1 有限元數(shù)值模擬法

        數(shù)值模擬法是與物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的方法,有限元是常用的數(shù)值模擬法之一,本文采用大型商用有限元軟件ADINA建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。

        2.2 最大值連線法(規(guī)范)

        依據(jù)規(guī)范公式分別計(jì)算ea1、ea2、ea3,繪制土壓力分布圖,采用從擋土墻墻頂連線到墻底最大土壓力位置形成的三角形來(lái)作為墻后土壓力值分布圖(詳見(jiàn)圖3)。

        圖3 墻后土壓力值分布(單位:cm)

        2.3 無(wú)窮坡法(規(guī)范)

        基于規(guī)范[1]中有關(guān)懸臂式擋土墻墻后填土面傾斜時(shí)的主動(dòng)土壓力計(jì)算方法,此時(shí),填土坡頂向無(wú)窮遠(yuǎn)處伸展,而高坡組合面則相當(dāng)于無(wú)窮坡削掉一部分,此設(shè)計(jì)方法尺寸偏大。

        基于規(guī)范《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》,作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力可按公式(4)計(jì)算

        (4)

        對(duì)于懸臂式擋土墻,當(dāng)墻后填土面傾斜時(shí),主動(dòng)土壓力系數(shù)可按式(5)計(jì)算(計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4)

        (5)

        式中,Ea表示作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力,kN/m,其作用點(diǎn)距墻底為h(土壓力圖形的形心至擋土墻底的距離),按式(5)計(jì)算時(shí)其作用方向與填土表面平行;q表示作用在墻后填土面上的均布荷載,kN/m2;H表示土壓力計(jì)算高度,m;r取值為 7.28 kN/m3;γ1表示擋土墻墻后地下水位以下填土浮重度,kN/m3;h1表示墻后地下水位以上土壓力的計(jì)算高度,m;h2表示墻后地下水位至基底面土壓力的計(jì)算高度,m;β表示擋土墻墻后填土表面坡角,(°),β=arctan(1/4);ε表示擋土墻墻背面與鉛直面的夾角,(°),ε=arctan(0.3/4.2);Ф表示擋土墻墻后回填土的內(nèi)摩擦角,(°),此處取為28°;δ表示擋土墻墻后填土對(duì)墻背的摩擦角,(°),可按式(4)采用(0.33~0.50)Ф。

        圖4 擋土墻上主動(dòng)力壓力分析

        3 分析過(guò)程及成果分析

        3.1 理論推導(dǎo)法分析過(guò)程及結(jié)果

        理論推導(dǎo)法分析過(guò)程及結(jié)果如下。

        ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

        ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m)2

        ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m)2

        3.2 有限元法分析過(guò)程及結(jié)果

        經(jīng)計(jì)算,擋土墻后最大土壓力為36.6 kN/m,相當(dāng)于比擋土墻頂高1 m的土高,偏于低墻部分,但該最大土壓力位置離墻身根部約有1.5 m的距離。因此,按普通理論,墻后最大土壓力在此基礎(chǔ)上還應(yīng)該有所增加,詳見(jiàn)圖5。

        圖5 擋土墻后土壓力

        3.3 最大值連線法分析過(guò)程及結(jié)果

        最大值連線法分析過(guò)程及結(jié)果如下,最大值連線法取值示意見(jiàn)圖6。

        ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

        ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m2)

        ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m2)

        圖6 最大值連線法取值示意(位:cm)

        3.4 無(wú)窮坡法分析過(guò)程及結(jié)果

        無(wú)窮坡法分析過(guò)程及結(jié)果如下。

        cosβ=0.97 cos?=0.88

        (6)

        4 超規(guī)范情況土壓力的處理方法

        對(duì)于本文所討論的超規(guī)范情況,有一點(diǎn)可以基本明確的是,翼墻底板范圍應(yīng)該在5 m高填土所得到的翼墻規(guī)模和10 m高填土所得到的翼墻規(guī)模之間,具體取值還要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析。圖3所示是設(shè)計(jì)中常用的方法,深黑線是個(gè)折衷值,計(jì)算出的翼墻規(guī)模在 7.5 m填土高程,但因填充部分重心偏下,彎矩值小于 7.5 m。

        那么實(shí)際工程按這種做法是否合理,是偏安全還是偏危險(xiǎn),下面用破裂面法加以說(shuō)明(見(jiàn)圖7)。

        破裂面法是研究擋土墻土壓力最基本也是最常規(guī)的方法,墻后理想化填土的內(nèi)摩擦角值為28°,以此繪出擋土墻的破裂面,范圍外的土對(duì)墻后土壓力的影響相對(duì)較小??梢钥闯觯屏衙娴淖罡唿c(diǎn)低于7.5 m,這說(shuō)明設(shè)計(jì)中常用的方法在該工程中是偏安全的,墻后最大土壓力的實(shí)際值應(yīng)該在填土 5.0 m和7.5 m所形成的土壓力之間。

        圖7 破裂面法示意(單位:cm)

        5 結(jié) 語(yǔ)

        綜上,該工程坡式填土擋土墻墻后土壓力最大值不在墻根部,而在墻體1/3高度附近,應(yīng)力大小為墻頂向上1 m填土的計(jì)算值。建議實(shí)際設(shè)計(jì)中按折衷法計(jì)算土壓力,以確保工程安全。

        [1] 中華人民共和國(guó)水利部. SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

        [2] 顧慰慈.擋土墻土壓力計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2005.

        (編輯:朱曉紅)

        ∶TV432

        A

        2017-07-04

        周賀達(dá),男,吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,高級(jí)工程師.

        1006-0081(2017)09-0049-04

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