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 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坡狀填土到堤頂。墻體擋土高度為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、無窮坡法展開研究并進(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坡狀填土到堤頂(10.0 m)，形成高坡組合面填土形式，見圖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)有明確的坡狀填土墻后土壓力計(jì)算公式及土壓力分布簡(jiǎn)圖，詳見式(1)～(3)和圖2。

ea1=γHdKa

(1)

ea2=γH0Ka

(2)

ea3=γzKa

(3)

圖2 坡狀填土墻后土壓力分布

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墻頂?shù)奶钔粮叨戎?，mm；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)無法消化，即ea2大于ea3，該分布圖在規(guī)范中沒有說明，這種情況下的土壓力取值在目前屬于空白領(lǐng)域。近年來，近水式駁岸在城市河道中用得越來越多，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作為墻后土壓力值分布圖(詳見圖3)。

圖3 墻后土壓力值分布(單位：cm)

2.3 無窮坡法(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)，填土坡頂向無窮遠(yuǎn)處伸展，而高坡組合面則相當(dāng)于無窮坡削掉一部分，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 分析過程及成果分析

3.1 理論推導(dǎo)法分析過程及結(jié)果

理論推導(dǎo)法分析過程及結(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，詳見圖5。

圖5 擋土墻后土壓力

3.3 最大值連線法分析過程及結(jié)果

最大值連線法分析過程及結(jié)果如下，最大值連線法取值示意見圖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 無窮坡法分析過程及結(jié)果

無窮坡法分析過程及結(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明(見圖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

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