李 艷

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361009)

1 工程概況

馬尾長(zhǎng)安投資區(qū)防洪防潮工程包括海堤及4座水閘(長(zhǎng)柄水閘、英嶼水閘、東岐水閘及長(zhǎng)安水閘)。工程堤線西起亭江鎮(zhèn)政府，東至連江琯頭海堤起點(diǎn)，海堤全長(zhǎng)6.8 km，其中，新建海堤長(zhǎng)2.7 km，舊堤改造長(zhǎng)4.1 km，建成后堤防標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇?；诖?，本文設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證模型試驗(yàn)的合理性。數(shù)值模擬分析上覆荷載、墻身混凝土強(qiáng)度、擋墻寬高比等對(duì)懸臂式擋墻墻背靜止土壓力的影響規(guī)律，提出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的適用范圍，以期為懸臂式擋墻的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 懸臂式擋墻的特點(diǎn)

懸臂式擋墻由立壁和墻底板構(gòu)成，總體來(lái)看呈倒“T”字型。

從當(dāng)前擋墻結(jié)構(gòu)，我們能夠發(fā)現(xiàn)懸臂式擋墻為所有結(jié)構(gòu)之中質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)，另外，懸臂式擋墻穩(wěn)定程度與墻身自重以及墻踵板位置之處的填土重力密切相關(guān)，和重力式擋墻比較而言，因?yàn)槠鋲︴喟彘L(zhǎng)，和地基聯(lián)系密切，重心往往傾向于填土這一端，所以該擋墻擁有非常強(qiáng)的抗滑以及抗傾覆穩(wěn)定性能。 另外，由于懸臂式擋墻斷面比較小，沒(méi)有較厚的墻面板，所以當(dāng)對(duì)其施加土壓力之時(shí)，極容易破壞到墻身較重的擋墻，為防止墻身出現(xiàn)彎矩過(guò)大的情況，墻面板高度要處于5 m范圍。

因?yàn)閼冶凼綋鯄σ资軌Ω叩挠绊?，所以可在先前的擋墻前提下，增加墻頂疊加懸臂式擋墻，將兩者變?yōu)檎w，把高擋墻劃分為兩個(gè)矮擋墻，充分發(fā)揮懸臂式擋墻的墻底板長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)條件，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)其抗滑移以及抗傾覆穩(wěn)定性的目標(biāo)。

當(dāng)懸臂式擋墻發(fā)揮組合式擋墻的作用之時(shí)，因?yàn)槭┕ふ卟豢稍趬χ褐庍M(jìn)行填土工作，所以沒(méi)有墻前被動(dòng)的土壓力，此時(shí)抗滑穩(wěn)定性可能會(huì)顯著變?nèi)?，為提高其抗滑穩(wěn)定程度，保證組合式擋墻成為不可分割的整體，可于墻底板之處植入錨桿，發(fā)揮錨桿的優(yōu)勢(shì)，利用其抗滑以及抗拔力，進(jìn)一步承受潛在滑動(dòng)力，使得組合結(jié)構(gòu)擋墻保持穩(wěn)固的狀態(tài)。

3 材料與方法3.1 模型槽設(shè)計(jì)

對(duì)模型槽的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行規(guī)范化，只有保證底板、墊層、側(cè)向擋板的規(guī)范性，才能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。首先在底板方面，使用的是2 cm厚的A3鋼進(jìn)行焊接而成，尺寸為長(zhǎng)240 cm、寬130 cm、高40 cm，此外，還要對(duì)底板內(nèi)部進(jìn)行充實(shí)，主要使用的是砂體材料，并且要壓實(shí)，這是為了提升其模型的穩(wěn)定。其次，在側(cè)向擋土板的設(shè)計(jì)上，為便于獲取相關(guān)參數(shù)，要使用玻璃板進(jìn)行連接，此外，其內(nèi)部的連接上也要使用玻璃板。最后，在上部設(shè)計(jì)方面，必須要設(shè)置上相應(yīng)的反力裝置，最大可提供80 kN的豎向反力。整體示意如圖1所示。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

使用設(shè)計(jì)的模型工具進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)和記錄兩方面的數(shù)據(jù)，一是靜止的土壓力分布規(guī)律，二是在上覆荷載的相關(guān)變化規(guī)律。上覆荷載為6～24 kPa之間，分為7個(gè)等級(jí)，每一等級(jí)相差3 kPa。

圖1 懸臂式擋墻試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?/p>

在實(shí)驗(yàn)中使用電阻式土壓力盒，對(duì)壓力的變化進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。同時(shí)為準(zhǔn)確觀察和測(cè)量擋墻的位移，要設(shè)置相應(yīng)的千分表[1]。并且要使用AB膠對(duì)壓力盒和千分表進(jìn)行固定，同時(shí)要保證其受力均勻，鋪灑一定細(xì)砂。模型試驗(yàn)填筑材料選取河沙。模型試驗(yàn)參數(shù)依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》( JTG E40—2007)實(shí)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)基本參數(shù)

3.3 模型槽填筑

對(duì)于模型槽的填筑，質(zhì)量要放在第一位，首先，要對(duì)模型槽進(jìn)行分層，每層約20 cm，之后再對(duì)每層進(jìn)行填充，隨后使用機(jī)器進(jìn)行夯實(shí)，需要注意的是在距擋墻20 cm的范圍內(nèi)必須用人力夯實(shí)，最后，填充完畢后做好相關(guān)記錄。

3.4 模型的建立

使用FLAC3D軟件建立如圖2所示的相關(guān)模型，以此來(lái)提升研究的精確性。模型中，底部墊層為1 m，并且兩側(cè)和底部進(jìn)行高強(qiáng)度約束，兩側(cè)和沿高方向也是如此，以此來(lái)模擬實(shí)際工作狀態(tài)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型(單位:m)

利用數(shù)值模型對(duì)懸臂式擋墻墻背土壓力影響因素進(jìn)行了多工況的細(xì)化分析，分別研究上覆荷載、墻身混凝土強(qiáng)度、擋墻寬高比等對(duì)墻背土壓力分布的影響規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)工況下數(shù)值模擬參數(shù)的選取見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬標(biāo)準(zhǔn)工況下參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)果及分析

4.1 墻背土壓力分布規(guī)律

從上述的研究和分析中，得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，其擋墻的上部位移區(qū)間也僅是-0.10～0.15 mm，可以得出本次試驗(yàn)中擋墻受力狀態(tài)為靜止土壓力狀態(tài)。

通過(guò)相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，并進(jìn)行K0理論的精確計(jì)算得出圖3。由圖3可知，三者中，前兩者的靜止土壓力值呈現(xiàn)的分布規(guī)律一致，而K0理論計(jì)算與前兩者存在一定的差別[2]。首先，由于模型試驗(yàn)采取機(jī)械碾壓夯實(shí)，導(dǎo)致了相應(yīng)的碾壓效果，從而增加了附加應(yīng)力，所以模擬試驗(yàn)的數(shù)值要大于另外兩者的數(shù)值。其次，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬中都出現(xiàn)了相應(yīng)的拐點(diǎn)，大約位于擋墻的1/8高處，在拐點(diǎn)之前范圍內(nèi)墻背土壓力隨擋墻高度的增加而減少。此結(jié)果與前人所研究的拐點(diǎn)位于擋墻高度的1/8處的情況相一致。

圖3 墻背土壓力分布

對(duì)圖3進(jìn)行研究分析，得出墻踵對(duì)擋墻底部壓力分布影響極大，由于墻踵的原因，使得墻背土壓力分布曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，所以在擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮墻踵的作用。此外，由圖3得出，在三種試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果呈線性分布的位置位于拐點(diǎn)右側(cè)，所以在設(shè)計(jì)擋墻時(shí)要根據(jù)不同范圍內(nèi)的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是所謂的分段式的方法，在拐點(diǎn)左右側(cè)范圍內(nèi)分別采用K0理論計(jì)算方法和數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 墻背土壓力影響分析

4.2.1 上覆荷載

墻背土壓力的分布情況在上覆荷載的不斷作用下，其呈現(xiàn)的主要是“S”型，而且擋墻和墻踵的10 cm往上出現(xiàn)了峰值。這主要是因?yàn)閾鯄Ρ惩翂毫κ艿絻煞矫嬉蛩氐挠绊懀皇歉郊雍奢d，二是填土自重的應(yīng)力，特別是墻后的填土。隨著擋墻高度的逐漸降低，附加荷載的影響呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，但填土的自重應(yīng)力所產(chǎn)生的墻背土壓力卻呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，這是由上述兩種因素的不斷增加所導(dǎo)致。

通過(guò)使用數(shù)值模擬的方法，我們得出墻背壓力在上覆荷載作用下所導(dǎo)致的結(jié)果幾乎一致；同時(shí)，二者模擬情況和結(jié)果都較為吻合，其中數(shù)值計(jì)算模型更為合理，對(duì)后期準(zhǔn)確性提升的要求具有極大作用。

4.2.2 墻身混凝土強(qiáng)度

選取C40、C50、C60、C70、C80等五種不同強(qiáng)度的墻身混凝土，使用數(shù)值模擬的方法，最終呈現(xiàn)的結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，墻背土壓力的所呈現(xiàn)的規(guī)律，并沒(méi)有隨著混凝土強(qiáng)度的變化而產(chǎn)生大的變化，特別是最大點(diǎn)位置和量值方面，幾乎是一致的，但混凝土強(qiáng)度與土壓力呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨著前者的增大，后者也隨之增大，不過(guò)增幅卻在不斷減小[3]。而K0理論計(jì)算的數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值之間在20 cm處的壓力值存在交點(diǎn)，當(dāng)墻擋底部小于20 cm時(shí)，K0理論值小于試驗(yàn)值，當(dāng)大于20 cm時(shí)，則大于試驗(yàn)值。其主要原因是擋墻的變形和外傾，導(dǎo)致土壓力產(chǎn)生變化，變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力，導(dǎo)致數(shù)值變小。

圖4 不同強(qiáng)度的墻身混凝土墻背土壓力分布

4.2.3 擋墻寬高比

除了上述因素外，擋墻的寬高比也是影響整體壓力分布重要因素之一。選取了七種不同的擋墻寬高比進(jìn)行分析研究，最終呈現(xiàn)的墻背土壓力分布情況：擋墻寬高比有著重要影響，而且對(duì)不同位置的影響也各不相同，首先對(duì)上部土壓力影響較大，特別是上部30 cm的范圍內(nèi)，其次是對(duì)下部影響，下部不同于上部，寬高比對(duì)下部的影響極小，同時(shí)隨著擋墻寬高比的增加，擋墻墻背土壓力呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)[4]。

5 結(jié) 論

(1)在擋墻方面，對(duì)墻背土壓力影響最大的就是其高度，在其高度1/8的范圍內(nèi)主要呈現(xiàn)的規(guī)律是擋墻越低墻背土壓力越大，但是在1/8后，特別是在墻踵處，壓力明顯減小。

(2)在屋面的上覆荷載方面，其與墻背土壓力呈現(xiàn)的規(guī)律為“S”形，墻背壓力受兩方面影響，一是墻后的填土自重的應(yīng)力，二是附加荷載。

(3)在混凝土的強(qiáng)度方面，墻背土壓力隨著其強(qiáng)度不斷增強(qiáng)而不斷增大，但是其增幅卻是呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)。

(4)在擋墻寬高比方面，隨著擋墻寬高比的增加，擋墻墻背土壓力呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，對(duì)其上部土壓影響偏大，但對(duì)下部影響較小。