水位變化對錨索樁板墻的影響

藍文兵

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，昆明 650011)

1 錨索樁板墻

錨索樁板墻是目前在港口、交通、水利、路橋等生命線工程中的一種常見的構(gòu)筑物，主要由混凝土樁、混凝土擋土板、預(yù)應(yīng)力拉索三部分組成。錨索樁板墻主要修建于滑坡體上，用于防止滑動體的滑動。經(jīng)常見到路基沿河側(cè)的錨索樁板墻由于水位變化造成的破壞，以至于阻斷交通。

錨索樁板墻應(yīng)用于水位變化區(qū)域時，水位的變化會對擋墻產(chǎn)生一定的影響。水位變化有兩種情況:驟變和緩變。所謂驟變一般是指擋墻前水位變化很快，擋墻后滑坡內(nèi)自由面或滲流浸潤線滯后于擋墻前水位變化;所謂緩變是指在擋墻前水位變化過程中，擋墻后土體內(nèi)的自由面與擋墻前水位變化基本上同步。緩變對擋墻的影響主要集中在土體含水量的變化對抗剪強度參數(shù)的影響，以及水位變化造成影響區(qū)域內(nèi)土體重度發(fā)生相應(yīng)變化。驟變除了會造成上述影響外，還會由于擋墻內(nèi)外及擋墻土體不同位置的水頭差導(dǎo)致滲透力的形成，使擋墻穩(wěn)定性的變化更為復(fù)雜化。

2 數(shù)值分析

某公路段的錨索樁板墻處在一水庫回水的影響范圍內(nèi)，此錨索樁板墻長192 m，距水庫大壩壩址約2 km，全長范圍內(nèi)公路路基均為半填半挖。此段錨索樁板墻設(shè)置兩排錨索的樁有18根，設(shè)置三排錨索的樁有31根，樁間凈距4 m。第一排錨索距樁頂4 m，第二排錨索距樁頂7 m，第三排錨索距樁頂10.2 m。三排錨索傾角均為15°，錨索采用6φ15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線為1860 MPa的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。樁身及擋土板采用C30混凝土?？紤]到錨索樁板墻的受力特點，現(xiàn)取受力最不利的33號樁進行分析，此樁設(shè)置有三排錨索。33號樁處的道路橫斷面見圖1。

圖1 33號樁處道路橫斷面(單位:cm)

利用MIDAS軟件建立有限元模型，樁身周圍土模擬為縱向和橫向兩個水平方向的彈性支承，其彈簧系數(shù)Ki=miHiSib1(kN/m)(其中m值為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)，Hi為各節(jié)點距土表面的距離，Si=1 m)，樁底為豎向支承。

樁邊長b=1.25 m，樁的計算寬度b1=kkf(b+1)=1.0×1.0×2.25=2.25 m(k=1.0，kf=1.0)

33號樁處錨索錨固土體為褐黃、褐灰色碎石土，石質(zhì)為砂巖、玄武巖、灰?guī)r，礫砂充填。中密，稍濕 ～飽和，容許承載力300～350 kPa?？紤]水位變化對土壤承載力造成的影響，地下水會使土壤結(jié)構(gòu)受到破壞，黏結(jié)力失效，當土的含水量比最佳含水量大2%時，黏性土的內(nèi)摩擦角可降低30%～60%，黏聚力可降低10% ～50%，土壤浸沒水中時 mi=20 000 kN/m4，無水時mi=40 000 kN/m4，水位線以上土重度 γ1=19 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ1=35°，水位線以下土取其浮重度 γ2=10.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ2=17°，水的重度 γw=10 kN/m3。

車輛荷載在擋土墻后填土的破壞樓體上引起的土側(cè)壓力，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)以換算土層厚度計算。

擋土墻高15.3 m時，其計算長度B=13+15.3×tan30°=21.83 m，路基寬度 l0=17 m。B×l0面積內(nèi)車輪總重力Σ G=4×550=2 200 kN，則等代均布土層厚度 h=Σ G/(Bl0γ1)=0.312 m。

3 計算結(jié)果

3.1 錨索受力隨水位變化

從表1可以看出，各排錨索的拉力隨水位的上升均增加，最下一排(第一排)錨索的拉力隨水位的上升增加較上面兩排快。水位上升到5 m與最初不考慮水的影響時相比，第一排錨索拉力增幅36%，第三排錨索拉力增幅21%。水位上升到5 m后由于水位驟降形成的墻前后水頭差致使第一排錨索拉力增幅達15%，第三排錨索拉力增幅7%。

表1 錨索拉力隨水位變化 kN

錨索采用6φ15.2 mm，1 860 MPa的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。按《公路擋墻設(shè)計細則》

可得 Nd≥γRγ0γQ1Nk=2.0Nk

式中，Nk為錨索軸向拉力(kN);γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.05;γQ1為主動土壓力分項系數(shù)1.4;γR為結(jié)構(gòu)抗力計算模式不定性系數(shù)，γR=1.4;Nd為預(yù)應(yīng)力設(shè)計承載力，Nd=1 395×0.000 84=1 171.8 kN。

從表2可以看出，隨水位的上升錨索安全系數(shù)降低，當水位上升3 m時錨索安全系數(shù)已不滿足規(guī)范2.0的要求。

表2 錨索安全系數(shù)隨水位變化

3.2 錨索錨固系數(shù)隨水位變化

錨索錨固長度 La≥γpNk/(Sτi)，即 LaSτi/Nk≥γp式中，γp為安全系數(shù)，規(guī)范限值 γp=2.5;Nk為錨索軸向拉力(kN);S為錨孔周長(S=πD=3.14×0.2=0.628 m);τi為錨固段水泥砂漿與錨孔巖層間的極限抗剪強度。

原設(shè)計錨索錨固長度La1=La2=La3=10 m。

當錨索錨固段未被水浸泡時 τi取300 kPa，當錨固段被水浸泡時τi取150 kPa。

由表3可見，第一排錨索當水位上升2 m時錨索錨固系數(shù)已不能滿足規(guī)范要求;第二排錨索當水位上升4 m時錨索錨固系數(shù)已不能滿足規(guī)范要求;第三排錨索錨固系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求。

表3 錨索錨固系數(shù)隨水位變化

3.3 樁身受力隨水位變化

由表4及表5可以看出，樁身最大彎矩及剪力與不考慮水相比均隨水位的升高而增大，其中樁身剪力的增幅大于彎矩的增幅。水位驟降給樁身帶來極為不利的影響。

表4 樁身最大彎矩隨水位變化

表5 樁身最大剪力隨剪力變化

4 結(jié)語

水位變化對錨索樁板墻的受力有影響。水位上升會使錨索拉力增加，混凝土樁身的彎矩、剪力增加。特別是水位驟升驟降的影響更大，設(shè)計時應(yīng)予重視。

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