加筋土擋土墻的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

雍洪寶

(淮安市建筑工程檢測(cè)中心有限公司，淮安 223001)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中越來(lái)越廣泛，也使得工程設(shè)計(jì)越來(lái)越高效。設(shè)計(jì)工程師也在不斷努力地開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，以達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。對(duì)于加筋土擋土墻，傳統(tǒng)的以科學(xué)計(jì)算為目標(biāo)的設(shè)計(jì)軟件難以體現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和結(jié)果的可視化要求?；赪indows操作系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮目梢暬疺isual basic 6．0開(kāi)發(fā)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)可視化，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，界面友好，易于學(xué)習(xí)和操作。

加筋土擋土墻由墻面板、加筋帶和填料三部分組成，具有形式多樣、適用性強(qiáng)、成本低廉、造型美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，在公路、鐵路、高鐵、水利等行業(yè)都有應(yīng)用，設(shè)計(jì)《標(biāo)準(zhǔn)》［1］的頒布也促進(jìn)其在工程實(shí)際中推廣和應(yīng)用。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮諸多因素，計(jì)算繁冗，需要頻繁調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，常用的應(yīng)用程序［2-3］僅限于參數(shù)計(jì)算且難以充分考慮各種工程的實(shí)際情況，通用性差，操作復(fù)雜，難以普及。本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果［4］，開(kāi)發(fā)了基于Visual basic 6．0的加筋土擋土墻計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，過(guò)程生動(dòng)直觀，技術(shù)人員在界面的引導(dǎo)下可以暢通無(wú)阻地進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，且方便于設(shè)計(jì)方案的橫向?qū)Ρ?，有助于得到?yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。

2 加筋土擋土墻設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)方法

我國(guó)的加筋土技術(shù)研究和應(yīng)用始于二十世紀(jì)七十年代，基本原理目前一般歸納為:(1)摩擦加筋原理;(2)準(zhǔn)粘聚力原理(莫爾－庫(kù)倫理論)。拉筋主要承受垂直荷載和水平拉力，并與填料產(chǎn)生摩擦力，拉筋一般為帶狀，國(guó)內(nèi)目前常用塑料復(fù)合土工帶(簡(jiǎn)稱(chēng)CAT土工帶)、聚丙烯土工帶(簡(jiǎn)稱(chēng)PP帶)以及薄鋼和鋼筋混凝土帶等。面板通常采用鋼筋混凝土預(yù)制板，其形狀有矩形、槽形、十字形、六角形、L形等。

加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括:內(nèi)部穩(wěn)定性分析和外部穩(wěn)定性驗(yàn)算兩大部分。內(nèi)部穩(wěn)定分析包括計(jì)算加筋帶所承受的拉力、所需拉筋面積(根數(shù))以及加筋帶所需長(zhǎng)度。計(jì)算原理是采用朗金土壓力理論計(jì)算加筋帶所承受的拉力，并根據(jù)靜力平衡法計(jì)算其所需的面積和程度。外部穩(wěn)定性驗(yàn)算是檢驗(yàn)加筋土擋土墻整體對(duì)其后面土體的支撐能力，驗(yàn)算時(shí)將加筋體視為剛體，方法如同一般重力式擋土墻。內(nèi)部穩(wěn)定性分析采用應(yīng)力分析法［1，5］，假設(shè):(1)加筋體沿著拉筋最大拉力點(diǎn)的連線產(chǎn)生破壞，其墻面處的最大拉力為最大承載力的75%;(2)加筋體中的應(yīng)力狀態(tài)隨深度逐步向主動(dòng)土壓力狀態(tài)變動(dòng)，深度6m以下便是主動(dòng)土壓力;(3)只有穩(wěn)定區(qū)的拉筋與填土的相互作用才產(chǎn)生抗拔阻力。計(jì)算內(nèi)容包括:(1)設(shè)計(jì)荷載;(2)加筋帶的拉力計(jì)算;(3)加筋帶的設(shè)計(jì)斷面計(jì)算;(4)加筋帶 的長(zhǎng)度計(jì)算。外部穩(wěn)定性驗(yàn)算按一般重力式擋土墻［1，5］，包括:(1)地基承載力及基底偏心距驗(yàn)算;(2)抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算;(3)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3 軟件設(shè)計(jì)框圖

基于上述設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟，軟件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。首先輸入基本計(jì)算參數(shù)(包括設(shè)計(jì)資料輸入和選擇設(shè)計(jì)荷載)，參數(shù)或變量按界面要求和提示輸入;接著調(diào)用內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊和外部穩(wěn)定性驗(yàn)算模塊，確定拉筋特征參數(shù)及面板厚度，該部分為擋圖墻計(jì)算的核心內(nèi)容;最后輸出設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)框圖

4 程序功能及開(kāi)發(fā)

4．1 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

加筋土擋土墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊包括:車(chē)輛荷載計(jì)算、加筋帶的拉力計(jì)算、加筋帶的斷面積及長(zhǎng)度計(jì)算。該模塊組成見(jiàn)圖2，LS表示頂層拉筋長(zhǎng)度，LD表示底層拉筋長(zhǎng)度，考慮到施工方便，CAT復(fù)合帶等土工合成帶宜取為偶數(shù)條。

4．2 外部穩(wěn)定性驗(yàn)算

外部穩(wěn)定性驗(yàn)算模塊由車(chē)輛荷載等代土層厚度計(jì)算模塊、加筋體自重計(jì)算模塊、加筋體后朗金土壓力計(jì)算模塊、基底偏心距計(jì)算模塊、加筋體基底壓應(yīng)力計(jì)算模塊以及基底滑移穩(wěn)定和繞墻址傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算模塊組成，所有驗(yàn)算模塊按《規(guī)范》［1］要求進(jìn)行，圖3，S1、S2分別為最大基底應(yīng)力和最小基底應(yīng)力，［S］為地基容許承載力。

4．3 運(yùn)行環(huán)境及開(kāi)發(fā)

采用WINDOWS操作環(huán)境，界面和圖形采用Visual Basic 6．0開(kāi)發(fā)，擋土墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析及外部穩(wěn)定性驗(yàn)算中的計(jì)算模塊均采用FORTRAN 90進(jìn)行編程［2-3］。技術(shù)人員可以在界面提示引導(dǎo)下輸入?yún)?shù)和變量，順利進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算和設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

4．4 應(yīng)用說(shuō)明

加筋土擋墻設(shè)計(jì)的主界面如圖4，通過(guò)選擇控制按鈕可首先進(jìn)入“設(shè)計(jì)資料輸入”界面，按圖5提示輸入設(shè)計(jì)資料，完畢后進(jìn)入“設(shè)計(jì)荷載選擇”的圖6界面，選擇設(shè)計(jì)荷載。進(jìn)行等代土層厚計(jì)算后，在“請(qǐng)選擇計(jì)算荷載”對(duì)話框內(nèi)將給出汽車(chē)荷載及掛車(chē)荷載的等代土層厚，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇計(jì)算荷載類(lèi)型，也可以自行改動(dòng)其數(shù)值，按“確定”輸入，并“返回主軟件”。通過(guò)主界面的“擋土墻計(jì)算”按鈕運(yùn)行計(jì)算軟件。

圖6 荷載輸入界面

5 算例

擬建在某粘土地區(qū)高速公路的路堤式加筋土擋墻，擋土墻不受浸水影響，墻全長(zhǎng)為45m，沉降縫間距15m，擋墻高度10m，頂部填土高度5m，邊坡為1:1．5。公路一級(jí)荷載;預(yù)制C25混凝土矩形槽板面板;CAT鋼塑復(fù)合筋帶，帶寬為30mm，厚2mm，設(shè)計(jì)拉應(yīng)力 80Mpa，摩擦系數(shù) fˊ =0．4;筋帶結(jié)點(diǎn)水平間0．5m，豎直間0．5m;填料為砂性土，容重19KN/m3，內(nèi)摩阻角35°;路堤填土和加筋體后的填料容重為20KN/m3，內(nèi)摩阻角為30°，地基容許承載力500Kpa，加筋體與地基之間的摩擦系數(shù) μ =0．4。

在界面引導(dǎo)下參數(shù)，圖5，按圖6界面格式輸入設(shè)計(jì)荷載，返回主界面，點(diǎn)擊“擋土墻設(shè)計(jì)結(jié)果”，呈現(xiàn)圖7界面顯示的計(jì)算結(jié)果。

圖7 擋土墻計(jì)算結(jié)果輸出界面

6 結(jié)束語(yǔ)

基于Windows操作系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮目梢暬疺isual basic 6．0開(kāi)發(fā)技術(shù)，具有人性化界面，易于學(xué)習(xí)和操作。實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，過(guò)程生動(dòng)直觀，技術(shù)人員在界面的引導(dǎo)下，可以暢通無(wú)阻地進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，并有助于得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果，縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

該軟件運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足各種條件下加筋土擋墻設(shè)計(jì)要求，適用于墻高不大于20m的工程情況，并可設(shè)計(jì)路肩墻和路堤墻兩種型式。軟件已通過(guò)相關(guān)部門(mén)的鑒定并投入使用。

［1］公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ015－91)［S］．北京:人民交通出版社，1991．

［2］廖正環(huán)，唐勇，凌天清等編著．公路工程實(shí)用電算［M］．北京:人民交通出版社，2000(6):152-159．

［3］東南大學(xué)交通運(yùn)輸工程系．計(jì)算機(jī)方法及其在道路工程中的應(yīng)用［M］．南京:東南大學(xué)出版社，1992．

［4］孫文彬，朱軍功．基于VB的重力式擋土墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．基建優(yōu)化，2000(6):45-47．

［5］陳忠達(dá)編著．公路擋土墻設(shè)計(jì)［M］．北京:人民交通出版社，1999:125-170．

［6］何文?。甐ISUAL BASIC 6．0編程實(shí)例精解［M］．北京:北京希望電子出版，1999．