船閘閘室折線型墻背土壓力的計算

解學超 付文周

（四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院， 四川 成都 610017）

0 引言

工程設(shè)計中土壓力簡化計算主要有朗肯和庫倫理論。朗肯理論假定擋土墻后填土水平且無限遠，墻背垂直、光滑，根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)，推導出土壓力計算公式。庫倫理論假定墻背粗糙，墻后填土無限遠，破裂面為通過墻踵的平面，根據(jù)墻背與破裂面之間的楔狀土體平衡條件，求出最大土壓力[1]。

本文主要依據(jù)水運工程相關(guān)設(shè)計規(guī)范[2-3]，對船閘閘室折線型墻背的土壓力計算問題進行研究，通過分析和總結(jié)，以期為類似工程的土壓力計算提供參考。

1 閘室結(jié)構(gòu)

內(nèi)河某航電樞紐工程右岸布置Ⅲ級船閘，內(nèi)閘墻墻背擬采用折線型式，墻后回填砂卵石至頂高程319.6m，墻后設(shè)有三排縱坡為0.5%的軟式排水管，基礎(chǔ)置于弱風化泥巖上，局部作固結(jié)灌漿處理，結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

圖2 計算簡圖

2 計算條件

2.1 計算參數(shù)

固結(jié)灌漿后地基允許承載力[R]≥1.2MPa；

抗剪摩擦系數(shù)：f=0.55～0.60；

回填砂卵石重度：γ=19kN/m3；

墻背外摩擦角：

2.2 計算方法

選取受力較單一的完建工況進行計算，此時無外荷載，墻前、后均無水。

令閘墻各段背坡與垂線夾角為，變坡點至墻背頂點連線與垂線夾角為，第二破裂面與垂線的夾角為，根據(jù)計算參數(shù)可求得。

閘室墻背共有五段，每段的土壓力可采用延長墻背法計算[4]。根據(jù)參考文獻附錄H[2]：

AB段，按(a)圖計算；

BC段，按(b)圖計算；

CD段，按(e)圖計算；

DE段，按(d)圖計算；

EF段，計算同AB段。

2.3 分層計算的應用條件

對折線墻背土壓力的計算，分層計算然后累加求和的方法比較常用[4]，但事實上可以累加求和的前提是各分層均不產(chǎn)生第二破裂面或均產(chǎn)生第二破裂面，否則不能累加。

本閘墻整體計算就屬于不能分層計算然后累加求和的情況，但對C點驗算時，填土內(nèi)不產(chǎn)生第二破裂面，土體沿墻背面滑動，可分層計算然后累加求和。

3 計算分析

3.1 整體計算及變坡點驗算

各段背坡既有適用庫倫理論的又有適用朗肯理論的，應以和聯(lián)合判斷采用何種計算方法。

按照規(guī)范列Excel表對折線型墻背進行整體計算及變坡點驗算，主要結(jié)果見表1中“規(guī)范”對應行數(shù)據(jù)。采用朗肯理論進行對比，主要結(jié)果見表1中“朗肯”對應行數(shù)據(jù)。

表1 不同土壓力計算方法對比

朗肯土壓力垂直方向的分力為土重，因此朗肯垂向土壓力系數(shù)可視為 1，即Kay=1。

驗算B點即計算垂直墻背A-B，“規(guī)范”為庫倫理論，考慮了墻背摩擦，故“規(guī)范”Eax＜“朗肯”Eax，“庫倫”Eay＞“朗肯”Eay=0，“朗肯”較“規(guī)范”驗算結(jié)果偏安全。

驗算C點時，土體滑動面為墻背，“規(guī)范”為庫倫理論，“規(guī)范”Eax＞“朗肯”Eax，“規(guī)范”Eay＜“朗肯”Eay，“規(guī)范”較“朗肯”驗算結(jié)果偏安全。

驗算D點時，土體滑動面由墻背和第二破裂面組成，“規(guī)范”為庫倫理論，但且豎向土壓力疊加ABCD所圍土體自重。計算表明“規(guī)范”Eax＜“朗肯”Eax，“規(guī)范”Eay＞“朗肯”Eay，“朗肯”較“規(guī)范”驗算結(jié)果偏安全。

整體驗算時有，適用朗肯理論，也可采用庫倫理論，但不能直接應用庫倫土壓力系數(shù)公式，應根據(jù)庫倫理論的土體極限平衡狀態(tài)求解，此時“規(guī)范”與“朗肯”計算結(jié)果完全一致。

3.2 分向土壓力系數(shù)

由前述分析，驗算B點時“朗肯”方法較保守，但驗算C點時偏不利，為進一步分析不同理論對折線墻背土壓力計算的影響，將墻背與垂線夾角α與水平向土壓力系數(shù)Kax和垂向土壓力系數(shù)Kay系數(shù)做圖對比。

圖3 Kax與α關(guān)系曲線

圖4 Kay與α關(guān)系曲線

圖中按實際取值。

1) 當時，庫倫 Kax＜朗肯 Kax，庫倫Kay＞朗肯Kay=1，顯然 Kay＞1是不符合實際的，故時，不能直接應用庫倫土壓力系數(shù)求解。

2) 當時，出現(xiàn)與 1)所述相同情況，由可知，當α極小時 Kay遠大于 1，導致計算的垂向土壓力與實際不符，因此α較小時應先求總土壓力Ea，再沿水平、垂直向進行分解。根據(jù)規(guī)范并結(jié)合本次計算，當ffffe0時，庫倫 Kax＜朗肯 Kax且?guī)靷怟ay＞朗肯Kay，朗肯理論計算結(jié)果較庫倫理論安全。

3) 當時，庫倫Kax＞朗肯Kax，庫倫Kay＜朗肯Kay，庫倫理論計算結(jié)果較朗肯理論安全。

3.3 整體穩(wěn)定分析

位于巖基上的閘墻，墻后填土應按靜止土壓力計算。靜止土壓力系數(shù)研究較多[5]，但尚未被規(guī)范采用，本次計算取1.25主動土壓力。

表2 閘室整體穩(wěn)定和基底應力計算

4 結(jié)語

(1) 閘室折線型墻背整體穩(wěn)定計算及變坡點驗算，應根據(jù)變坡點至墻背頂點連線與垂線夾角和背坡與垂線夾角α兩個條件判斷，選擇適用的計算方法。

(2)土壓力分層計算累計求和方法只適用于各分層均不產(chǎn)生第二破裂面或均產(chǎn)生第二破裂面的情況。

(3) 當很小時，應先求總土壓力Ea，再沿水平、垂直向進行分解；當時，不能直接應用庫倫土壓力系數(shù)公式計算，應根據(jù)庫倫理論的土體極限平衡狀態(tài)求解。

(4) 當時，朗肯理論計算結(jié)果較庫倫理論偏安全；當時，若滑動面僅為墻面，則庫倫理論計算結(jié)果較朗肯理論偏安全，若滑動面由墻面和第二破裂面組成，則朗肯理論計算結(jié)果較庫倫理論偏安全。

[1]李廣信, 張丙印, 于玉貞. 土力學[M]. 北京:清華大學出版社, 2013年.

[2]JTS 307—2001, 船閘水工建筑物設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JTS 151—2011, 水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]薛殿基, 馮仲林等. 擋土墻設(shè)計實用手冊[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009年.

[5]張繼周, 王華敬, 劉福勝等. 靜止土壓力系數(shù)的計算方法及影響因素分析[J].水利與建筑工程學報, 2017, 15(1): 43-47.