改進(jìn)荷載傳遞方法在水閘地基土體抗拔受力變形分析中的應(yīng)用研究

張嚴(yán)方，陳琦琛

(1.遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 1100001；2.遼寧天陽工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 1100001)

水閘工程設(shè)計(jì)需要對(duì)地基土層的抗拔受力的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，而地基土層的穩(wěn)定性直接影響水閘的運(yùn)行安全。為此國內(nèi)許多學(xué)者開展過水閘地基土層的抗拔穩(wěn)定性分析和研究，這些方法中考慮靜載分布的荷載傳遞法得到一定程度的應(yīng)用，但傳統(tǒng)荷載傳遞方法忽略水平方向荷載的靜力作用，造成土體抗拔受力變形分析出現(xiàn)一定程度的計(jì)算誤差。當(dāng)前，有學(xué)者綜合考慮土體自重并計(jì)算水平方向荷載，對(duì)傳統(tǒng)荷載傳遞方法進(jìn)行改進(jìn)，并在工程結(jié)構(gòu)和土體力學(xué)中得到應(yīng)用和對(duì)比，這些成果表明較傳統(tǒng)方法，改進(jìn)的荷載傳遞方法在受力變形計(jì)算上有明顯改善，但改進(jìn)的荷載傳遞方法在水利工程上還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，為此本文引入改進(jìn)的荷載傳遞方法，對(duì)某設(shè)計(jì)水閘地基土地的抗拔受力變形進(jìn)行分析。

1 改進(jìn)荷載傳遞方法的抗拔受力變形分析原理

改進(jìn)的荷載傳遞方法在地基抗拔受力變形分析時(shí)，首先對(duì)地基土層產(chǎn)生破壞影響的單元進(jìn)行抗拔極承載分析，該單元不同方向的應(yīng)力計(jì)算方程如下：

ΔT=ΔRtanφ+cΔL

(1)

式中，ΔT—土層單元切向上的阻力，kPa；φ￣內(nèi)摩察角，(°)；c—粘滯聚力，kPa；ΔL—單元滑動(dòng)面板的長(zhǎng)度，mm；ΔR—分析單元的法線方向的切向應(yīng)力，kPa。其中改進(jìn)的荷載傳遞方法采用以下方程對(duì)單元的法線方向的切向應(yīng)力ΔR進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

ΔR=ΔQcosθ+KpΔQsinθ

(2)

式中，Kp—分析單元側(cè)向壓力系數(shù)；θ—抗拔破壞力矢量與水平軸的夾角，(°)；ΔQ—法向方向上的切力，kPa。改進(jìn)的荷載傳遞方法對(duì)分析單元的法相切力ΔQ進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

ΔQ=γ(H-Z-ΔZ/2)ΔL

(3)

式中，γ—土體自重，kg；Z—縱向位移長(zhǎng)度，mm；H—水平位移長(zhǎng)度，mm。

結(jié)合閘基土層靜力平衡方程，可得不同土體單元自重靜力平衡方程：

(PV+ΔPV)-PV+μqπx2-μπ(q+Δq)(x+Δx)2-ΔW-2μπ(x+Δx/2)ΔTsinθ=0

(4)

式中，x—受力中心點(diǎn)的距離，mm；Δx—變動(dòng)距離，mm；u—破壞散面圓周比；Pv—靜載，kPa；q—單位受力荷載，kPa。

對(duì)靜力方程進(jìn)行極限求解，得到靜力荷載微分方程為：

(5)

其中方程(5)中變量同上述方程。傾斜和水平荷載下地基土體的承載應(yīng)力計(jì)算方程為：

(6)

式中，WP—樁體的重量，kg；L—樁體總的長(zhǎng)度，m；τmax—最大的剪切向的應(yīng)力。其計(jì)算方程為：

τmax=Kσvtanφ′+c′=kγztanφ′+c′

(7)

式中，φ′—傾斜內(nèi)摩察角，(°)；K—側(cè)向壓力系數(shù)。

2 水閘地基土層抗拔受力變形特征分析

2.1 水閘地基土體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

本文以遼寧地區(qū)某水閘工程設(shè)計(jì)為例，該水閘地基土體為樁固結(jié)構(gòu)，分別有4根樁進(jìn)行整體架構(gòu)，各樁固土地的主要特征參數(shù)見表1。

表1 研究水閘地基土層的主要計(jì)算參數(shù)

2.2 不同開挖深度下的水閘地基土地位移分析

考慮不同開挖深度對(duì)水閘地基土層位移的影響，結(jié)合改進(jìn)前后的荷載傳遞方法對(duì)不同開挖深度下的水閘地基土層的受力變形位移進(jìn)行分析，分析成果見表2和圖1。

由表1可知，改進(jìn)荷載傳遞方法計(jì)算在不同開挖深度下的土地和基樁的受力變形位移均小于傳統(tǒng)荷載傳遞方法計(jì)算的變形位移量，這主要是改進(jìn)的荷載傳遞方法綜合考慮土層的自重作用，使受力變形位移量要小于傳統(tǒng)荷載傳遞方法。從圖1中可以看出，不同開挖深度下，各算法計(jì)算的土地受力變形量總體呈現(xiàn)均質(zhì)變化，隨著開挖深度的增加，土地變形量逐步較小，對(duì)樁體而言，由于受到土層彈性模量的影響，當(dāng)開挖深度小于一定程度后，土層樁體往外擴(kuò)充變形。

2.3 不同算法下水閘地基土層受力變形計(jì)算精度對(duì)比分析

對(duì)比分析不同算法在水閘土層受力變形計(jì)算的精度，結(jié)合靜載觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析不同算法的計(jì)算精度，分析結(jié)果見表3。

表2 不同開挖深度下的水閘地基土層的位移分析

圖1 不同開挖深度下各算法的變形量計(jì)算分布結(jié)果

表3 不同算法在設(shè)計(jì)水閘土層受力變形精度對(duì)比結(jié)果

由表3可知，在不同觀測(cè)變形量下，改進(jìn)荷載傳遞方法變形計(jì)算誤差小于25%，而傳統(tǒng)荷載傳遞方法計(jì)算誤差在30%以上，相比于傳統(tǒng)荷載傳遞方法，改進(jìn)的荷載變形計(jì)算誤差減少11.1%，保證了水閘工程設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的荷載傳遞方法增加了土層自重因素，使得不同抗拔強(qiáng)度下土層變形計(jì)算更為精確，從而提高土層抗拔受力變形的計(jì)算精度。

2.4 不同抗拔強(qiáng)度下的水閘土層變形分析

對(duì)比分析不同抗拔強(qiáng)度對(duì)水閘土層變形的影響，結(jié)合改進(jìn)的荷載傳遞方法計(jì)算不同抗拔強(qiáng)度下設(shè)計(jì)水閘土體的滑塊變形量，對(duì)比分析結(jié)果見表4、5和圖2。

由表4、5可知，隨著抗拔強(qiáng)度的增加，不同軸力下水閘土體和樁體的受力變形量都逐步增加，這是因?yàn)殡S著抗拔強(qiáng)度的增加，土層受軸力作用，垂向變形位移量也逐步增加，當(dāng)K=500kN，相同軸力下的土層和樁體的變形量均最大，為此K=500kN為設(shè)計(jì)水閘所能承受的最大抗拔強(qiáng)度。從圖2中看出，K=200kN的土層變形位移線為水閘設(shè)計(jì)的抗拔強(qiáng)度最低線，而K=500kN為設(shè)計(jì)抗拔強(qiáng)度下的外包線，結(jié)合底線和外包線，可以對(duì)設(shè)計(jì)水閘的抗拔強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定。

表4 不同抗拔強(qiáng)度下設(shè)計(jì)水閘土體滑塊變形分析結(jié)果

圖2 不同抗拔強(qiáng)度下設(shè)計(jì)水閘地基土層變形分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文結(jié)合改進(jìn)的荷載傳遞方法對(duì)某設(shè)計(jì)水閘土層抗拔受力下的變形進(jìn)行分析和討論，結(jié)論如下。

(1)改進(jìn)的荷載傳遞方法綜合考慮土體自重，土體受力變形計(jì)算更為合理，經(jīng)靜載觀測(cè)試驗(yàn)分析，改進(jìn)荷載傳遞方法在土體受力位移變形計(jì)算誤差精度更高，可進(jìn)一步推廣。

(2)通過改進(jìn)荷載傳遞方法可設(shè)計(jì)水閘抗拔強(qiáng)度下的變形上限和下限變化曲線，并為水閘土層穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供支撐。

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