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。

1 懸臂式擋墻特點分析

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]。

2 防洪防潮工程懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 材料與方法

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

2.2 懸臂式擋墻技術(shù)探索

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。

3 防洪防潮工程懸臂式擋墻土壓力數(shù)值計算結(jié)果

3.1 墻背土壓力分布規(guī)律

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 墻背土壓力影響分析

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 懸臂式擋土墻主動土壓力分析

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。

4 結(jié)語

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)。