郭樹仰
(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、形式簡單的優(yōu)勢在支擋工程中被廣泛應(yīng)用。防洪防潮工程中,要求對懸臂式擋墻的土體壓力做出科學(xué)計算,防止擋墻在破壞后對交通造成阻礙。在擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中,優(yōu)選材料與方法,做好模型槽的合理設(shè)計,完善施工監(jiān)測方案,按照墻背土壓力分布規(guī)律做好主動土壓力分析。
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,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,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,對墻體施加土壓力的時候容易破壞擋墻,為避免墻身彎矩過大,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,不宜在墻趾位置填土施工,如果缺乏墻前被動土壓力,這時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力,讓擋墻時刻保持穩(wěn)固,發(fā)揮其在防洪防潮工程中的作用[1]。
對模型槽進行規(guī)范化設(shè)計,確保底板、擋板以及墊層部位的規(guī)范性。比如底板設(shè)計時,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。對底板內(nèi)部充實處理,應(yīng)用砂體材料壓實底板,保證模型穩(wěn)定。側(cè)向擋土板設(shè)計時,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)計時設(shè)置反力裝置,為模型槽提供80 kN 豎向反力。
2.1.2 監(jiān)測方案
對模型進行監(jiān)測分析,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 個等級,等級間相差3 kPa。監(jiān)測實驗中應(yīng)用電阻式土壓力盒,結(jié)合實驗實際情況監(jiān)測壓力變化狀態(tài),應(yīng)用千分表觀察并測量懸臂式擋墻實際位移情況。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候,應(yīng)重視質(zhì)量問題,對模型槽分層處理,保證每層厚度在20 cm 左右,隨后填充,再用機器夯實,在距離擋墻20 cm 左右的位置采用人力夯實方法,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)過高強度約束,使模型更加符合實際工作狀態(tài)。依靠模型對擋墻墻背土壓力影響因素做出細(xì)化研究,探究上覆荷載、混凝土強度等條件對土壓力分布的影響[2]。
實驗過程中,擋墻模型在確立時應(yīng)綜合考慮墻高、墻厚、底板寬與底板厚幾個因素,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 組檢驗樣本,應(yīng)用FLAC3D 有限差分軟件隨機計算擋墻穩(wěn)定性,見表1。
表1 擋墻設(shè)計斷面尺寸因素搜索范圍
應(yīng)用8 組檢驗樣本對模型展開精度檢驗,見圖1,期望輸出為樣本計算安全系數(shù),預(yù)測輸出為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),二者數(shù)值接近,沒有明顯差異變化,說明預(yù)測值穩(wěn)定。
教學(xué)過程由一個個教學(xué)環(huán)節(jié)組成,一個個教學(xué)環(huán)節(jié)好比是粒粒珍珠,而各環(huán)節(jié)間的過渡語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鏈。因此我們要充分注意教學(xué)過程中過渡語的設(shè)計和運用。我在講《圓明園的毀滅》一課時,根據(jù)教材內(nèi)容,在二、三段設(shè)計了這樣的過渡語:
圖1 模型預(yù)測結(jié)果示意圖
圖2 中,預(yù)測結(jié)果的最大絕對誤差為0.0053,最大相對誤差為0.39%,最終預(yù)測結(jié)果精度可滿足擋墻邊坡穩(wěn)定需求。
圖2 模型預(yù)測輸出值誤差情況
經(jīng)過實際工程研究發(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矮擋墻,憑借墻底板長度優(yōu)勢,發(fā)揮擋墻在抗滑移方面的應(yīng)用優(yōu)勢。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,在滑動面中產(chǎn)生抗剪強度。滑動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)格意義上來講屬于潛在滑動面,由于其受力復(fù)雜,建議將地錨進行簡化設(shè)計,使其被簡化為抗滑樁受力模式。
經(jīng)過監(jiān)測分析發(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)過模擬研究,得出懸臂式擋墻的墻背土壓力分布情況,見圖3,前兩者壓力分布規(guī)律相同,K0理論計算卻不同,模型試驗應(yīng)用機械碾壓夯實方法,碾壓效果中加入了附加應(yīng)力,所以模擬數(shù)值會偏大。在擋墻1/8 高度處出現(xiàn)拐點,墻背土壓力會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,在設(shè)計擋墻時應(yīng)考慮墻踵作用,根據(jù)不同范圍的實際情況合理設(shè)計擋墻,采用分段式方法,在拐點兩側(cè)應(yīng)用K0理論計算方法、模擬實驗完成懸臂式擋墻的模型建立。
3.2.1 上覆荷載
懸臂式擋墻墻背土壓力分布會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,這是因為墻背土壓力受附加荷載與填土自重應(yīng)力的影響。懸臂式擋墻的高度在降低時,附加荷載對墻體的影響不斷減小,但是填土依然存在自重應(yīng)力,對墻體產(chǎn)生的壓力不斷增大。通過數(shù)值模擬得知懸臂式擋墻墻背壓力經(jīng)過上覆荷載作用后結(jié)果一致。
3.2.2 混凝土強度
分別選擇五種強度的混凝土,采用數(shù)值模擬的方法得出以下實驗結(jié)果,見圖4。懸臂式擋墻墻背土壓力規(guī)律沒有因為混凝土強度變化而出現(xiàn)較大改變,最大點位置與量值基本一致,而混凝土強度與懸臂式擋墻土壓力保持正比關(guān)系,混凝土強度增大時,土壓力也會增大,但幅值卻在縮小。K0理論計算后的數(shù)值和試驗數(shù)值間在20 cm 左右的壓力值處有交點,墻擋底部低于20 cm 的時候,K0理論值比試驗值小,超過20 cm 時理論值超過試驗值,這是因為懸臂式擋墻出現(xiàn)了一定程度的變形與外傾現(xiàn)象,導(dǎo)致墻土壓力改變,從被動土壓力轉(zhuǎn)為主動土壓力,所以數(shù)值會減小。
圖4 不同強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度這兩方面影響因素,擋墻寬高比也會對墻體壓力分布產(chǎn)生影響。選取不同擋墻寬高比展開研究,得知擋墻寬高比對懸臂式擋墻上部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,擋墻寬高比對擋墻上部土壓力更大,對下部土壓力影響比較小[3]。
3.3.1 靜荷載作用下的計算方法
對分級墻背條件下的擋墻土壓力進行計算分析。首先,上墻土壓力計算,采用庫侖土壓力理論完成墻背土壓力計算與分析,如果墻背粗糙度較大,可能會出現(xiàn)兩種情況,一種是墻背比較陡,但是傾角很小,那么假設(shè)就會成立;另一種情況及時墻背比較緩,但傾角很大,這時墻后土體如果受到破壞,滑動土楔可能不會按照原本方向滑動,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。如果此時懸臂式擋墻的填土使用的是無粘性土;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土壓力系數(shù)。
其次,計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懸臂式擋墻結(jié)構(gòu),其中包含2 個單級懸臂式擋墻組合而成的支護結(jié)構(gòu)。分析下部分墻體對整個墻體的影響,探究是否會出現(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)化為均布荷載進行計算,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算采用以下公式:
式中:Ka為擋墻主動土的壓力系數(shù);γ 為填土容重結(jié)果;h 為換算土柱。
3.3.2 振動作用下的動土壓力計算方法
防洪防潮工程中,擋墻需要在振動作用下使用,其動態(tài)壓力計算比較復(fù)雜,計算結(jié)果不僅與振動強度有關(guān),也與墻后填土、擋墻振動特性保持聯(lián)系。采用擬靜力法,在靜土壓力庫倫理論應(yīng)用下,分析水平方向與豎向方向振動對墻體的影響,對擋墻邊界參數(shù)做出調(diào)整,具體公式如下:
將新的參數(shù)用于主動土壓力計算公式中,整理之后得出振動條件下懸臂式擋墻主動土的壓力計算結(jié)果:
根據(jù)上述研究得出監(jiān)測結(jié)果,在懸臂式擋墻中,高度對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,此時墻背土壓力同時受填土自重應(yīng)力與附加荷載影響。混凝土強度方面,墻背土壓力會因為混凝土強度加強而增大,但是壓力變化幅值卻呈現(xiàn)出逐漸變小的發(fā)展趨勢。對土壓力進行計算時,還應(yīng)從靜荷載作用和振動作用兩方面考慮,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)計方法。
總而言之,針對防洪防潮工程實際情況設(shè)計模型試驗,經(jīng)過數(shù)值模擬對模型的合理性做出驗證,探究上覆荷載、混凝土強度以及擋墻寬高比對擋墻土壓力的影響,為后續(xù)擋墻優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。