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        抗滑穩(wěn)定計算中水壓力作為抗力或荷載分析及討論

        2021-03-20 08:13:12畢程敏
        水科學與工程技術 2021年1期
        關鍵詞:抗力凈水擋土墻

        畢程敏

        (河北省水利水電第二勘測設計研究院,石家莊050021)

        在擋土墻抗滑穩(wěn)定計算中, 抗滑穩(wěn)定系數(shù)等于抗滑力除以滑動力,其實抗滑力即抗力,滑動力即荷載。簡單來說就是抗力/荷載。但是,在一些穩(wěn)定計算中,地表水會有漲落情況,這時水壓力到底是抗力還是荷載會容易混淆。本文以一個簡化例題為例,在擋土墻抗滑穩(wěn)定計算中, 對水壓力是抗力還是荷載進行分析、討論,為工程設計提供一定參考和借鑒。

        1 計算方法

        某河堤擋土墻, 斷面如圖1。 已知擋土墻重度25kN/m3,填土天然重度和飽和重度均為19kN/m3,內(nèi)摩擦角30°,黏聚力為0kPa,墻底面與地基土的摩擦系數(shù)為0.40,墻背與填土間為0°,水的重度為10kN/m3,墻前土壓力忽略不計,墻后土壓力采取水土分算。

        在枯水期時,擋土墻前后無水(工況1);當進入汛期時河道內(nèi)水位迅速上漲, 此時墻后水位距墻頂3m,河道內(nèi)水深4m(工況2);隨著水位逐漸回落,假定墻后水位不變,河道內(nèi)水深2m與墻后水位齊平(工況3);在某種因素下,水位迅速下降至河底,此時墻后水位保持不變(工況4)。 當墻前后水位不同時,兩側地下水形成穩(wěn)定滲流。隨著汛期結束,墻前后水位逐漸下降,擋土墻恢復至枯水期狀態(tài)。

        試分別計算4種工況下?lián)跬翂够€(wěn)定系數(shù)為多少? (隔離體取單位寬度計算)

        抗滑穩(wěn)定計算公式:

        式中 Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù),為0.4;∑G 為作用在擋土墻上全部垂直于基底面的荷載(kN);∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載(kN)。

        墻后主動土壓力按朗肯土壓力公式進行計算,主動土壓力系數(shù)。

        經(jīng)計算得知Ka=1/3。

        1.1 工況1

        在該工況下, 抗力為擋土墻自重,G 重量為412.5kN,主動土壓力為114kN。 則抗滑穩(wěn)定計算為:

        1.2 工況2

        墻前水位高于墻后水位2m, 擋土墻從前向后產(chǎn)生穩(wěn)定滲流, 滲流長度為8m, 則滲透水力坡降i為0.25,自重、水重、水壓力、土壓力作用示意圖如圖2,經(jīng)計算,抗力和荷載成果如表1。

        表1 工況2抗力和荷載計算成果

        圖2 擋土墻工況2作用力示意圖

        擋土墻自重和墻前水重與底部揚壓力抵消為抗力,產(chǎn)生抗滑力;擋土墻后主動土壓力為荷載,產(chǎn)生滑動力;水壓力P1、P2如何處理,下面進行3種方法計算。

        方法1:將兩側水壓力差值的“凈水壓力”(P2-P1),因其作用方向與抗力相同,作為抗力,放入分子。

        方法2:將墻前水壓力P2作為抗力,放入分子,將墻后水壓力P1作為荷載,放入分母。

        方法3:將P2作為反方向的荷載,與P1一起放入分母。

        經(jīng)計算得出,3種方法的計算結果如表2。

        表2 工況2各方法計算成果

        根據(jù)《土力學》和《漫話土力學》相關內(nèi)容,擋土墻前后兩側的水壓力是確定的力, 應相互抵消后采用凈水壓力。 在本工況中,凈水壓力為67.5kN,作用方向與抗力相同,應作為抗力,放入分子計算抗滑穩(wěn)定系數(shù)。 因此,在3種計算方法中,方法1是正確的。

        這正如兩軍作戰(zhàn),凈水壓力增加了抗滑力,是增加了“我軍”實力,應納入抗力中。方法2中將2個水壓力分開計算,看似合理,其實不然,前后水壓力是一個陣營的隊友,不能將其分開。方法3將其納入荷載,違背了“分清敵我”的原則,造成敵我不分,這就更加離譜了。

        1.3 工況3

        在工況3情況下,前后水位相同,水壓力相互抵消,兩側土沒有產(chǎn)生滲流,各力作用示意圖如圖2。經(jīng)計算,抗力和荷載成果如表3。

        表3 工況3抗力和荷載計算成果

        此時,P1等于P2, 采用工況2中3種方法計算結果如表4。

        表4 工況3各方法計算成果

        由此可見,墻前后水壓力相等時應相互抵消后不應計入抗力、荷載中,抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算得出為1.23。

        1.4 工況4

        在工況4情況下,墻前水位驟降至河底,墻后水位高于墻前水位2m,擋土墻從后向前產(chǎn)生穩(wěn)定滲流,滲透水力坡降i為0.25,自重、水重、水壓力、土壓力作用示意圖如圖3。 經(jīng)計算,抗力和荷載成果如表5。

        圖3 擋土墻工況4作用力示意圖

        此時, 墻后水壓力P1為33.75kN, 墻前水壓力P2為6.25kN,二者凈水壓力為27.5kN,作用方向與荷載方向相同,應放入分母。 則該工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.05。

        表5 工況4抗力和荷載計算成果

        2 結語

        通過對以上例題進行分析計算, 得出該擋土墻在4種工況下的抗滑穩(wěn)定計算如表6。

        表6 各工況下抗滑穩(wěn)定計算成果

        綜合以上例題及表6可知:

        (1)擋土墻在墻前有水時穩(wěn)定性最高,而在墻前水位驟降,墻后水位尚未降落時穩(wěn)定性最低,這與邊坡穩(wěn)定成果不謀而合。 因此,在工況4不滿足穩(wěn)定要求的情況下, 可采取墻體布設排水孔、 墻底設置逆坡、增加抗滑凸榫或其他等抗滑措施。

        (2)在擋土墻抗滑穩(wěn)定計算中,水壓力是作為抗力還是荷載時,可按如下方法處理:當墻前墻后均有水壓力時,將兩側水壓力差值作為凈水壓力,當作用方向與抗力相同時,作為抗力放在分子;反之,當作用方向與荷載相同時,應作為荷載放在分母。

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