某供水工程鎮(zhèn)墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

周理想,張　敏

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,廣州　510635;2.廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣州　510640)

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某供水工程鎮(zhèn)墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

周理想1,張敏2

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,廣州510635;2.廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣州510640)

摘要：在常規(guī)平底鎮(zhèn)墩底部加設(shè)抗滑凸榫，充分利用凸榫提供的被動(dòng)土壓力，提高壓力管道鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性，減少鎮(zhèn)墩的工程費(fèi)用。采用簡化的剛體極限平衡理論對常規(guī)平底鎮(zhèn)墩和凸榫鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了對比分析。以廣州市某引水工程鎮(zhèn)墩為例，進(jìn)行求解對比分析其抗滑安全系數(shù)，為今后此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出參考。

關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)墩；凸榫；抗滑穩(wěn)定性；被動(dòng)土壓力

0 前言

管道沿其軸線每隔一定距離需設(shè)置一個(gè)體積較大的混凝土墩將其固定，這個(gè)墩座稱為鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩是重要的水工建筑物，鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)過程中最重要的2部分是：抗滑穩(wěn)定性分析和抗傾覆穩(wěn)定性分析。平底鎮(zhèn)墩由于其結(jié)構(gòu)簡單便于施工在供水工程中得到廣泛應(yīng)用，為提高結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，在常規(guī)平底鎮(zhèn)墩底面上加設(shè)了抵抗滑動(dòng)的凸榫，減小了結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，降低了單位工程造價(jià)，所以對凸榫式鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性研究是頗具現(xiàn)實(shí)意義的工程課題。

1平底鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算

未設(shè)凸榫[1]的常規(guī)平底鎮(zhèn)墩，通過自重與基礎(chǔ)底面的摩擦力維持抗滑穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)將會(huì)沿?fù)跬翂酌媾c土質(zhì)地基的接觸面發(fā)生滑動(dòng)。如圖1所示。

圖1　常規(guī)平底鎮(zhèn)墩抗滑分析模型圖

安全系數(shù)[2-4]KC的計(jì)算公式為：

(1)

式中：c0為擋土墻基底面與土質(zhì)地基之間的粘聚力；A為擋土墻基底面積；φ0為擋 土墻基底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角;∑G、∑H分別為作用在鎮(zhèn)墩上全部豎向、水平面的荷載，kN。

2凸榫鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定計(jì)算

2.1土體破壞模式及分析方法

極限平衡法[5-6]是經(jīng)典的力學(xué)分析方法,計(jì)算簡便,又有一套與之相應(yīng)的規(guī)范,因此得到了廣泛的應(yīng)用。

極限平衡法是作為穩(wěn)定分析中最常用的計(jì)算方法，該法的基本前提是將滑體視為剛體，不考慮其變形，以及變形協(xié)調(diào)問題，以平面破壞模式為主，且認(rèn)為滑體的破壞服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，由于極限平衡法對滑坡的邊界條件大大地進(jìn)行了簡化,而計(jì)算中選用的各種參數(shù)往往是確定的或線性變化的,因而需要對復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行簡化處理。極限平衡法大致可分為3類:滿足整體力矩平衡法、滿足力平衡法、滿足力和力矩的平衡法[7]。當(dāng)抗滑安全系數(shù)K=1時(shí)，滑體處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)抗滑安全系數(shù)K>1時(shí)，滑體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)抗滑安全系數(shù)K<1時(shí)，滑體處于破壞狀態(tài)。各種極限平衡法所做的假設(shè)不同,對計(jì)算結(jié)果以及精度亦有顯著影響[8]。

2.2凸榫鎮(zhèn)墩極限平衡理論分析

在上述假設(shè)條件成立的前提下，建立一個(gè)凸榫滑動(dòng)破壞模型[9]，如圖2所示。

圖2　凸榫滑動(dòng)破壞模型圖

圖中：A為齒前破裂楔體；B為齒后破裂楔體(包含齒坎);T1、T2分別為齒后滑動(dòng)面和齒前滑動(dòng)面所受的摩擦阻力;N1、N2分別為齒后滑動(dòng)面和齒前滑動(dòng)面所受的下部土體的正壓力;N0為楔體B與齒坎之間的正壓力 ;G1、G2分別為楔體A和B的自重(G2包括齒坎重量 ) ;α、β為滑動(dòng)面傾角 。

根據(jù)力學(xué)平衡條件列出力學(xué)平衡方程[10]：

∑Y=0

T0=N0tanδ/K

本文采取簡化方法求解，不考慮整體滑動(dòng)面，且不考慮凸榫后破裂楔體自重,只對鎮(zhèn)墩自身進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性研究。由于設(shè)置凸榫，在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)考慮凸榫前的被動(dòng)土壓力。

2.3凸榫鎮(zhèn)墩抗滑分析

鎮(zhèn)墩土壓力按照位移情況可分為靜止、主動(dòng)和被動(dòng)3種。靜止土壓力[11]是指鎮(zhèn)墩不發(fā)生任何方向的位移，鎮(zhèn)墩前后側(cè)面上的土壓力；主動(dòng)土壓力是指在鎮(zhèn)墩側(cè)面土體作用下向前發(fā)生移動(dòng)，致使鎮(zhèn)墩側(cè)面填土的應(yīng)力達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，側(cè)面土體施于鎮(zhèn)墩上的土壓力，一般鎮(zhèn)墩兩側(cè)土體受力對稱，本文不予考慮；被動(dòng)土壓力是指鎮(zhèn)墩在某種外力作用下向前發(fā)生移動(dòng)而使得凸榫推擠填土，致使土體的應(yīng)力達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)土體施加于凸榫面上的土壓力[12]。如圖3所示，φ為土體內(nèi)摩擦角；φe為等代內(nèi)摩擦角。

圖3　凸榫鎮(zhèn)墩抗滑分析模型圖

凸榫前受到的平均被動(dòng)土壓力為：

式中：γ為土容重；q為鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力；ht為凸榫高度。

鎮(zhèn)墩凸榫能提供的被動(dòng)土壓力為：

2.4被動(dòng)土壓力的折減

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為由于土的壓縮性較管道大，在實(shí)際工程中凸榫前楔體在達(dá)到被動(dòng)土壓力極值之前，管道早已開裂受損或承插接頭脫開破壞，所以在驗(yàn)算鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性時(shí)，通常取其70%比較合理 。因此考慮了被動(dòng)土壓力[14]的折減后的鎮(zhèn)墩抗滑安全系數(shù)K1為：

式中：Fp1為作用在凸榫1上的被動(dòng)土壓力[15],kN；Fp2為作用在凸榫2上的被動(dòng)土壓力,kN；λ為被動(dòng)土壓力的折減系數(shù)，取0.7。

3工程實(shí)例

廣州市某引水工程通過鋪設(shè)2條直徑為1.8 m、單管長46.5 km的原水主干管，以及共計(jì)23.8 km的原水支管，工程全線途經(jīng)36個(gè)行政村、110個(gè)自然村，穿越3條鐵路、6條高速公路、2條國道、多條主要市政路、9座大型橋梁、3條主要航道及47條大小河涌，涉及征借地多達(dá)223.84 hm2。本文以該供水工程輸水管鎮(zhèn)墩的2種型式進(jìn)行對比求解，模型1為常規(guī)平底鎮(zhèn)墩，模型2為凸榫鎮(zhèn)墩。兩鎮(zhèn)墩基本尺寸如表1所示：

表1　模型基本尺寸表

經(jīng)求解，鎮(zhèn)墩上水平受力F=1 679 kN，豎向受力G=2 346 kN，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　水平豎向受力計(jì)算表

在不同土質(zhì)情況下進(jìn)行比較，采用簡化方法分析對比常規(guī)平底鎮(zhèn)墩和凸榫鎮(zhèn)墩的安全系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3　不同地質(zhì)的鎮(zhèn)墩抗滑安全系數(shù)對比表

可以看出，凸榫對抗滑安全系數(shù)的大小跟土質(zhì)關(guān)系較大，當(dāng)土體內(nèi)摩擦角較大時(shí)，鎮(zhèn)墩抗滑系數(shù)能提高約1.4倍。在土體內(nèi)摩角很小情況下，鎮(zhèn)墩抗滑系數(shù)能提高約1.2倍。

4結(jié)語

本文通過對凸榫鎮(zhèn)墩和常規(guī)鎮(zhèn)墩的土壓力受力模型進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上考慮滿足工程精度的前提下簡化計(jì)算模型，并對廣州某供水工程實(shí)例進(jìn)行分析，通過2個(gè)模型的抗滑安全系數(shù)對比分析，其特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) 通過在平底鎮(zhèn)墩底部設(shè)置凸榫，可利用凸榫前土體產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力，同時(shí)滑動(dòng)機(jī)理由底部摩擦變成凸榫后土體的剪切破壞，使得鎮(zhèn)墩的抗滑能力提高。

(2) 本文通過對模型進(jìn)行簡化分析，簡化求解方法，可為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考，若實(shí)際工程中并未考慮凸榫后滑動(dòng)體的作用，可以作為一種安全儲備來考慮。

(3) 通過對比分析可知，凸榫鎮(zhèn)墩對抗滑安全系數(shù)的大小與基礎(chǔ)的土質(zhì)有較大的相關(guān)性，當(dāng)鎮(zhèn)墩下土的內(nèi)摩擦角較大時(shí)，鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)能提高到約1.4倍。當(dāng)內(nèi)摩角較小情況下，鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)亦可提高到1.2倍。

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Analysis on Optimized Design of Anchorage Block

ZHOU Lixiang1, ZHANG Min2

(1.Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou510635,China; 2.Guangzhou Water Planning Investigation Design Institute, Guangzhou510640，China)

Abstract:At bottom of the conventional anchorage block with flat base, the tenon against sliding is applied. The passive earth pressure by the tenon is fully utilized to improve the stability of the anchorage block against sliding and reduce its cost as well. The simplified rigidity limit equilibrium theory is applied to compare and analyze the safety factors of the conventional anchorage block with flat base and the anchorage block with tenon. The anchorage block of one water diversion project, for example, is applied to compare and analyze its safety factors so as to provide the similar structure design with reference.

Key words:anchorage block; tenon; stability against sliding; passive earth pressure

中圖分類號：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.013

作者簡介：周理想(1984- ),男,江西省瑞昌市人，工程師，主要從事水利工程規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2015-10-11

文章編號：1006—2610(2016)01—0051—03