黃河故道涵閘翼墻高坡組合面填土土壓力淺析

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110003； 3.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；4.中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

黃河故道涵閘翼墻高坡組合面填土土壓力淺析

周賀達(dá)1關(guān)青松2常廣品3王穎4

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021； 2.遼寧省江河流域管理局，遼寧沈陽(yáng)110003； 3.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200061；4.中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西西安710043)

黃河故道涵閘工程位于鹽城市黃河故道兩側(cè)堤防的防洪線上，設(shè)計(jì)時(shí)考慮將翼墻墻頂高程做與青坎同高,墻后1∶4坡?tīng)钐钔恋降添敗w擋土高度為5 m，墻頂?shù)降添敻卟顬? m，填土高差值為1倍,該情況已經(jīng)超出了規(guī)范的理論公式范圍。針對(duì)這一情況，采用有限元數(shù)值模擬法、最大值連線法、無(wú)窮坡法展開(kāi)研究并進(jìn)行了對(duì)比分析，最終對(duì)高坡組合面填土墻后土壓力取值提出了合理建議，同時(shí)指出，為確保工程安全，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)按折衷法計(jì)算土壓力。

涵閘工程；組合面填土；填土墻；土壓力

1 工程概況

黃河故道涵閘工程位于江蘇省鹽城市黃河故道兩側(cè)堤防的防洪線上，堤頂高程達(dá) 10.0 m，河底高程為 0.5 m，建筑物級(jí)別為4級(jí)，如果做成不越浪式翼墻，則翼墻規(guī)模較大，另外墻前與堤頂之間距離達(dá)20 m，填土量大。鑒于此，設(shè)計(jì)時(shí)將墻頂高程做與青坎(5.0 m)同高,墻體擋土高度為5 m，墻后1∶4坡?tīng)钐钔恋降添?10.0 m)，形成高坡組合面填土形式，見(jiàn)圖1。

圖1 黃河故道涵閘翼墻斷面結(jié)構(gòu)(單位：cm)

《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中，已經(jīng)有明確的坡?tīng)钐钔翂笸翂毫τ?jì)算公式及土壓力分布簡(jiǎn)圖，詳見(jiàn)式(1)～(3)和圖2。

ea1=γHdKa

(1)

ea2=γH0Ka

(2)

ea3=γzKa

(3)

圖2 坡?tīng)钐钔翂笸翂毫Ψ植?/p>

式中，ea1表示填土高度為Hd、填土面為水平面計(jì)算的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，kPa；ea2表示填土高度為H0、填土面為水平面計(jì)算的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，kPa；ea3表示填土面坡角為β、填土高度z以上的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度，kPa；Hd表示擋土墻高度，m；H0表示擋土墻的高度與超過(guò)墻頂?shù)奶钔粮叨戎停琺m；z表示墻頂填土斜坡面與墻背連線交點(diǎn)至墻底的深度，m；γ表示擋土墻墻后填土的重度，kN/m3；Ka表示主動(dòng)土壓力系數(shù)。

ea3式(3)中得出的Ka值稍大，在控制好墻后填土的情況下(墻后填土非粘性土的內(nèi)摩擦角為28°)，ea3中的Ka為 0.402，大于ea1、ea2的Ka值 0.361。本文工程的填土高差值已經(jīng)達(dá)到1倍，0.402/0.361已經(jīng)無(wú)法消化，即ea2大于ea3，該分布圖在規(guī)范中沒(méi)有說(shuō)明，這種情況下的土壓力取值在目前屬于空白領(lǐng)域。近年來(lái)，近水式駁岸在城市河道中用得越來(lái)越多，墻后的長(zhǎng)綠化坡廣受歡迎，已經(jīng)成為生態(tài)水利的一個(gè)標(biāo)志。駁岸后填土多屬于高坡組合面填土。因此，解決該空白領(lǐng)域的問(wèn)題不僅可為高坡組合面填土的擋土墻設(shè)計(jì)提供較準(zhǔn)確的墻后土壓力值，更可為大量景觀駁岸設(shè)計(jì)提供較合理的計(jì)算模式。

對(duì)于高坡組合面填土這一空白領(lǐng)域，本文采用了3種研究方法，即有限元法、規(guī)范最大值連線法及規(guī)范無(wú)窮坡法進(jìn)行了對(duì)比分析，最終對(duì)高坡組合面填土墻后土壓力取值提出了合理的建議。

2 研究方法

2.1 有限元數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是與物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的方法，有限元是常用的數(shù)值模擬法之一，本文采用大型商用有限元軟件ADINA建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 最大值連線法(規(guī)范)

依據(jù)規(guī)范公式分別計(jì)算ea1、ea2、ea3，繪制土壓力分布圖，采用從擋土墻墻頂連線到墻底最大土壓力位置形成的三角形來(lái)作為墻后土壓力值分布圖(詳見(jiàn)圖3)。

圖3 墻后土壓力值分布(單位：cm)

2.3 無(wú)窮坡法(規(guī)范)

基于規(guī)范[1]中有關(guān)懸臂式擋土墻墻后填土面傾斜時(shí)的主動(dòng)土壓力計(jì)算方法，此時(shí)，填土坡頂向無(wú)窮遠(yuǎn)處伸展，而高坡組合面則相當(dāng)于無(wú)窮坡削掉一部分，此設(shè)計(jì)方法尺寸偏大。

基于規(guī)范《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》，作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力可按公式(4)計(jì)算

(4)

對(duì)于懸臂式擋土墻，當(dāng)墻后填土面傾斜時(shí)，主動(dòng)土壓力系數(shù)可按式(5)計(jì)算(計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4)

(5)

式中,Ea表示作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力，kN/m，其作用點(diǎn)距墻底為h(土壓力圖形的形心至擋土墻底的距離)，按式(5)計(jì)算時(shí)其作用方向與填土表面平行；q表示作用在墻后填土面上的均布荷載,kN/m2；H表示土壓力計(jì)算高度，m；r取值為 7.28 kN/m3；γ1表示擋土墻墻后地下水位以下填土浮重度,kN/m3；h1表示墻后地下水位以上土壓力的計(jì)算高度，m；h2表示墻后地下水位至基底面土壓力的計(jì)算高度，m；β表示擋土墻墻后填土表面坡角,(°)，β=arctan(1/4)；ε表示擋土墻墻背面與鉛直面的夾角,(°)，ε=arctan(0.3/4.2)；Ф表示擋土墻墻后回填土的內(nèi)摩擦角,(°)，此處取為28°；δ表示擋土墻墻后填土對(duì)墻背的摩擦角，(°)，可按式(4)采用(0.33～0.50)Ф。

圖4 擋土墻上主動(dòng)力壓力分析

3 分析過(guò)程及成果分析

3.1 理論推導(dǎo)法分析過(guò)程及結(jié)果

理論推導(dǎo)法分析過(guò)程及結(jié)果如下。

ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m)2

ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m)2

3.2 有限元法分析過(guò)程及結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，擋土墻后最大土壓力為36.6 kN/m，相當(dāng)于比擋土墻頂高1 m的土高，偏于低墻部分，但該最大土壓力位置離墻身根部約有1.5 m的距離。因此，按普通理論，墻后最大土壓力在此基礎(chǔ)上還應(yīng)該有所增加，詳見(jiàn)圖5。

圖5 擋土墻后土壓力

3.3 最大值連線法分析過(guò)程及結(jié)果

最大值連線法分析過(guò)程及結(jié)果如下，最大值連線法取值示意見(jiàn)圖6。

ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m2)

ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m2)

圖6 最大值連線法取值示意(位：cm)

3.4 無(wú)窮坡法分析過(guò)程及結(jié)果

無(wú)窮坡法分析過(guò)程及結(jié)果如下。

cosβ=0.97 cos?=0.88

(6)

4 超規(guī)范情況土壓力的處理方法

對(duì)于本文所討論的超規(guī)范情況，有一點(diǎn)可以基本明確的是，翼墻底板范圍應(yīng)該在5 m高填土所得到的翼墻規(guī)模和10 m高填土所得到的翼墻規(guī)模之間，具體取值還要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析。圖3所示是設(shè)計(jì)中常用的方法，深黑線是個(gè)折衷值，計(jì)算出的翼墻規(guī)模在 7.5 m填土高程，但因填充部分重心偏下，彎矩值小于 7.5 m。

那么實(shí)際工程按這種做法是否合理，是偏安全還是偏危險(xiǎn)，下面用破裂面法加以說(shuō)明(見(jiàn)圖7)。

破裂面法是研究擋土墻土壓力最基本也是最常規(guī)的方法，墻后理想化填土的內(nèi)摩擦角值為28°，以此繪出擋土墻的破裂面，范圍外的土對(duì)墻后土壓力的影響相對(duì)較小。可以看出，破裂面的最高點(diǎn)低于7.5 m，這說(shuō)明設(shè)計(jì)中常用的方法在該工程中是偏安全的，墻后最大土壓力的實(shí)際值應(yīng)該在填土 5.0 m和7.5 m所形成的土壓力之間。

圖7 破裂面法示意(單位：cm)

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上，該工程坡式填土擋土墻墻后土壓力最大值不在墻根部，而在墻體1/3高度附近，應(yīng)力大小為墻頂向上1 m填土的計(jì)算值。建議實(shí)際設(shè)計(jì)中按折衷法計(jì)算土壓力，以確保工程安全。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部. SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[2] 顧慰慈.擋土墻土壓力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.

(編輯：朱曉紅)

∶TV432

A

2017-07-04

周賀達(dá)，男，吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師.

1006-0081(2017)09-0049-04