張嚴方，陳琦琛

(1.遼寧澤龍水利實業(yè)有限責任公司，遼寧 沈陽 1100001；2.遼寧天陽工程技術咨詢服務有限公司，遼寧 沈陽 1100001)

水閘工程設計需要對地基土層的抗拔受力的穩(wěn)定性進行分析研究，而地基土層的穩(wěn)定性直接影響水閘的運行安全。為此國內(nèi)許多學者開展過水閘地基土層的抗拔穩(wěn)定性分析和研究，這些方法中考慮靜載分布的荷載傳遞法得到一定程度的應用，但傳統(tǒng)荷載傳遞方法忽略水平方向荷載的靜力作用，造成土體抗拔受力變形分析出現(xiàn)一定程度的計算誤差。當前，有學者綜合考慮土體自重并計算水平方向荷載，對傳統(tǒng)荷載傳遞方法進行改進，并在工程結(jié)構和土體力學中得到應用和對比，這些成果表明較傳統(tǒng)方法，改進的荷載傳遞方法在受力變形計算上有明顯改善，但改進的荷載傳遞方法在水利工程上還未進行相關應用，為此本文引入改進的荷載傳遞方法，對某設計水閘地基土地的抗拔受力變形進行分析。

1 改進荷載傳遞方法的抗拔受力變形分析原理

改進的荷載傳遞方法在地基抗拔受力變形分析時，首先對地基土層產(chǎn)生破壞影響的單元進行抗拔極承載分析，該單元不同方向的應力計算方程如下：

ΔT=ΔRtanφ+cΔL

(1)

式中，ΔT—土層單元切向上的阻力，kPa；φ￣內(nèi)摩察角，(°)；c—粘滯聚力，kPa；ΔL—單元滑動面板的長度，mm；ΔR—分析單元的法線方向的切向應力，kPa。其中改進的荷載傳遞方法采用以下方程對單元的法線方向的切向應力ΔR進行計算，計算方程為：

ΔR=ΔQcosθ+KpΔQsinθ

(2)

式中，Kp—分析單元側(cè)向壓力系數(shù)；θ—抗拔破壞力矢量與水平軸的夾角，(°)；ΔQ—法向方向上的切力，kPa。改進的荷載傳遞方法對分析單元的法相切力ΔQ進行計算，計算方程為：

ΔQ=γ(H-Z-ΔZ/2)ΔL

(3)

式中，γ—土體自重，kg；Z—縱向位移長度，mm；H—水平位移長度，mm。

結(jié)合閘基土層靜力平衡方程，可得不同土體單元自重靜力平衡方程：

(PV+ΔPV)-PV+μqπx2-μπ(q+Δq)(x+Δx)2-ΔW-2μπ(x+Δx/2)ΔTsinθ=0

(4)

式中，x—受力中心點的距離，mm；Δx—變動距離，mm；u—破壞散面圓周比；Pv—靜載，kPa；q—單位受力荷載，kPa。

對靜力方程進行極限求解，得到靜力荷載微分方程為：

(5)

其中方程(5)中變量同上述方程。傾斜和水平荷載下地基土體的承載應力計算方程為：

(6)

式中，WP—樁體的重量，kg；L—樁體總的長度，m；τmax—最大的剪切向的應力。其計算方程為：

τmax=Kσvtanφ′+c′=kγztanφ′+c′

(7)

式中，φ′—傾斜內(nèi)摩察角，(°)；K—側(cè)向壓力系數(shù)。

2 水閘地基土層抗拔受力變形特征分析

2.1 水閘地基土體結(jié)構主要參數(shù)

本文以遼寧地區(qū)某水閘工程設計為例，該水閘地基土體為樁固結(jié)構，分別有4根樁進行整體架構，各樁固土地的主要特征參數(shù)見表1。

表1 研究水閘地基土層的主要計算參數(shù)

2.2 不同開挖深度下的水閘地基土地位移分析

考慮不同開挖深度對水閘地基土層位移的影響，結(jié)合改進前后的荷載傳遞方法對不同開挖深度下的水閘地基土層的受力變形位移進行分析，分析成果見表2和圖1。

由表1可知，改進荷載傳遞方法計算在不同開挖深度下的土地和基樁的受力變形位移均小于傳統(tǒng)荷載傳遞方法計算的變形位移量，這主要是改進的荷載傳遞方法綜合考慮土層的自重作用，使受力變形位移量要小于傳統(tǒng)荷載傳遞方法。從圖1中可以看出，不同開挖深度下，各算法計算的土地受力變形量總體呈現(xiàn)均質(zhì)變化，隨著開挖深度的增加，土地變形量逐步較小，對樁體而言，由于受到土層彈性模量的影響，當開挖深度小于一定程度后，土層樁體往外擴充變形。

2.3 不同算法下水閘地基土層受力變形計算精度對比分析

對比分析不同算法在水閘土層受力變形計算的精度，結(jié)合靜載觀測試驗對比分析不同算法的計算精度，分析結(jié)果見表3。

表2 不同開挖深度下的水閘地基土層的位移分析

圖1 不同開挖深度下各算法的變形量計算分布結(jié)果

表3 不同算法在設計水閘土層受力變形精度對比結(jié)果

由表3可知，在不同觀測變形量下，改進荷載傳遞方法變形計算誤差小于25%，而傳統(tǒng)荷載傳遞方法計算誤差在30%以上，相比于傳統(tǒng)荷載傳遞方法，改進的荷載變形計算誤差減少11.1%，保證了水閘工程設計的穩(wěn)定性，這主要是因為改進的荷載傳遞方法增加了土層自重因素，使得不同抗拔強度下土層變形計算更為精確，從而提高土層抗拔受力變形的計算精度。

2.4 不同抗拔強度下的水閘土層變形分析

對比分析不同抗拔強度對水閘土層變形的影響，結(jié)合改進的荷載傳遞方法計算不同抗拔強度下設計水閘土體的滑塊變形量，對比分析結(jié)果見表4、5和圖2。

由表4、5可知，隨著抗拔強度的增加，不同軸力下水閘土體和樁體的受力變形量都逐步增加，這是因為隨著抗拔強度的增加，土層受軸力作用，垂向變形位移量也逐步增加，當K=500kN，相同軸力下的土層和樁體的變形量均最大，為此K=500kN為設計水閘所能承受的最大抗拔強度。從圖2中看出，K=200kN的土層變形位移線為水閘設計的抗拔強度最低線，而K=500kN為設計抗拔強度下的外包線，結(jié)合底線和外包線，可以對設計水閘的抗拔強度進行設定。

表4 不同抗拔強度下設計水閘土體滑塊變形分析結(jié)果

圖2 不同抗拔強度下設計水閘地基土層變形分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文結(jié)合改進的荷載傳遞方法對某設計水閘土層抗拔受力下的變形進行分析和討論，結(jié)論如下。

(1)改進的荷載傳遞方法綜合考慮土體自重，土體受力變形計算更為合理，經(jīng)靜載觀測試驗分析，改進荷載傳遞方法在土體受力位移變形計算誤差精度更高，可進一步推廣。

(2)通過改進荷載傳遞方法可設計水閘抗拔強度下的變形上限和下限變化曲線，并為水閘土層穩(wěn)定性設計提供支撐。

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