回填荷載下卸荷式船閘受力與變形監(jiān)測分析

張寧 關(guān)云飛 李夫仲 夏偉

摘要：帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)具有降低閘室內(nèi)力和位移、增加抗浮能力的作用，作為一種新型水工結(jié)構(gòu)，首次應(yīng)用于澮河南坪船閘工程。為進(jìn)一步揭示該閘室結(jié)構(gòu)在回填荷載作用下的受力與變形特性，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，分析了回填荷載下閘墻所承受的土壓力、孔隙水壓力以及閘墻變形量隨時間的變化規(guī)律：相較于傳統(tǒng)的塢式閘室結(jié)構(gòu)，帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)所受到的土壓力和有效應(yīng)力顯著降低，卸荷效應(yīng)明顯，閘室結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，新結(jié)構(gòu)提高了船閘的安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：卸荷板;回填施工;現(xiàn)場監(jiān)測;土壓力;船閘

中圖分類號：TV698.1+l;U641.3+l

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.030

近年來，已有不少船閘由于運(yùn)行時間較長而導(dǎo)致局部滑移變位甚至失穩(wěn)，使得整個船閘的安全性能大大降低，使用壽命也難以保證[1]。與傳統(tǒng)的塢式閘室結(jié)構(gòu)相比，帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)具有受外荷載作用小、安全性高、工期短、造價低等優(yōu)點[2]。對于帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究尚在起步階段，在設(shè)計計算、施工工藝以及工作機(jī)理分析等方面還沒有成熟的經(jīng)驗可供參考。

Benmebarek等[3]采用FLAC 3D數(shù)值方法研究了結(jié)合土中剛性粗糙擋土墻平移引起的三維被動土壓力，并將數(shù)值分析結(jié)果與極限平衡法、極限分析上限法和實驗方法進(jìn)行了比較：付長靜等[4]提出了一種簡便方法，將板樁結(jié)構(gòu)分為多個部分，按非極限狀態(tài)土壓力理論分別計算主樁和錨樁的土壓力，由此計算出板樁所受的土壓力：王琰等[5]利用有限元對分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)在施工過程中的承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬，以此來研究分離卸荷式板樁碼頭的卸荷效應(yīng)與機(jī)理：龔麗飛[6]采用離心模型試驗探求結(jié)構(gòu)與土相互作用的機(jī)理，并依托ANSYS有限元軟件對該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步數(shù)值模擬分析：李武等[7]采用物理模型試驗的手段來驗證數(shù)模分析中的土體參數(shù)，再由數(shù)模分析手段探究土體參數(shù)對閘室結(jié)構(gòu)所承受外力以及變形的影響規(guī)律。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)主要從模型試驗和數(shù)值模擬等方面研究傳統(tǒng)的直立式擋土墻或卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的工作特性。而帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)是一種新型水工結(jié)構(gòu)，對其受力與變形特性的研究少之又少，席榮等[8]利用ABAQUS有限元軟件對卸荷式船閘進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過控制卸荷板的設(shè)計高度、寬度和厚度等來研究閘墻的水平位移、土壓力和彎矩分布等的變化規(guī)律?？紤]到模型試驗與數(shù)值模擬中工程地質(zhì)條件較難把握，邊界條件難以確定，模型與原型不盡相同，因此有必要對帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)的受力、變形進(jìn)行現(xiàn)場測試。本文依托澮河南坪船閘工程，通過現(xiàn)場埋設(shè)的土壓力、孔隙水壓力及傾角位移傳感器，研究回填荷載下帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)的外力及變形隨時間的變化規(guī)律，并得到閘室墻的有效應(yīng)力分布，為該新型船閘閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計與推廣應(yīng)用提供必要的理論指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)場監(jiān)測概況

1.1 帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)

安徽澮河南坪船閘閘室部分采用帶卸荷板的整體式鋼筋混凝土U形槽閘室結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由墊層、底板、閘室墻及卸荷板組成，如圖1所示。閘室順?biāo)鞣较蜷L200.0 m，共分12節(jié)，每節(jié)分縫長度16.7 m;閘室墻口門寬為23.2 m，凈寬23.0 m;閘室底板設(shè)計厚度達(dá)2.4 m;閘室墻高12.6 m.頂寬0.8 m，底寬2.4 m，并設(shè)1.0 mxl.5 m倒角：在兩側(cè)閘室墻后距墻頂7.5 m高度處設(shè)卸荷板，卸荷板上部平臺寬2.2 m，端部厚度為0.4 m，根部厚度為1.2 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程勘探結(jié)果，閘室基礎(chǔ)以上主要包括粉質(zhì)黏土①、粉質(zhì)黏土②、粉砂③、粉土④、粉土⑤、粉質(zhì)黏土⑥等6個土層。自上而下各土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)列于表1。

閘室墻后回填土體來自基坑開挖土方。表1數(shù)據(jù)經(jīng)過均值分析可知，回填土體的天然重度平均為19.03kN/rri3，壓縮模量平均為8.76 MPa;固結(jié)快剪結(jié)果顯示回填土體黏聚力平均為35.06 kPa，內(nèi)摩擦角平均為14.40，屬中低壓縮性土。

1.3 監(jiān)測點布置

現(xiàn)場監(jiān)測選取典型測試斷面進(jìn)行測點布置。參考數(shù)值模擬計算結(jié)果[8]，在典型位置布置土壓力、孔隙水壓力及結(jié)構(gòu)傾角位移測點，經(jīng)過優(yōu)化之后的測點布置見圖2。

界面土壓力以及孔隙水壓力的數(shù)據(jù)采集分別通過在墻體表面預(yù)埋土壓力盒以及孔壓計的方式來實現(xiàn)。在閘室墻體（包括卸荷板）外側(cè)表面布置10組土壓力和孔隙水壓力傳感器，其中卸荷板以上的墻體表面布置3組傳感器，卸荷板的上下表面和前端分別布置1組傳感器，卸荷板以下的墻體表面均勻布置4組傳感器。在閘室墻內(nèi)部預(yù)埋傾角儀測量墻體在回填荷載下的相對水平位移，從頂部到底端均勻布置4只傳感器。

2 有限元模型的建立

依托于ABAQUS軟件開發(fā)的土與結(jié)構(gòu)相互作用計算程序，并利用莫爾一庫侖模型來描述回填土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。采用基于接觸力學(xué)的接觸模型來模擬土與閘室墻的接觸面特性，研究卸荷式船閘結(jié)構(gòu)在回填荷載下的工作機(jī)理，并探討閘室墻與回填土的相互作用規(guī)律。

考慮到閘室結(jié)構(gòu)邊界效應(yīng)，數(shù)值模擬的深度為60m、長度為90 m、寬度（縱向）為Sm。閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，模擬時采用實體單元，本構(gòu)模型選用線彈性模型，彈性模量取26 GPa，泊松比取0.167。閘室墻外表面和各回填土層之間都存在接觸。墻、土接觸假定為有限滑移，法向為硬接觸，接觸壓力假定不衰減，切線方向設(shè)置最大摩擦力。

模擬閘室結(jié)構(gòu)回填過程時，采用單元的“生”功能。所謂“生”功能，即單元的激活，使單元恢復(fù)到原來的質(zhì)量和剛度，這時單元上初始應(yīng)力和初始應(yīng)變都為零。通過激活回填部分單元來模擬土體的回填，這與現(xiàn)場的實際工況一致。

3 外力監(jiān)測結(jié)果分析

卸荷板以上的墻后回填施工于2018年1月10日開始，2018年6月9日結(jié)束，采用分層回填方式施工。監(jiān)測過程于2018年1月1日開始.2018年10月17日結(jié)束，歷時290 d。各監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)限于篇幅關(guān)系略，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格分析計算得到的監(jiān)測成果如下。

3.1 界面土壓力分析

在回填施工期，由于閘室內(nèi)還未通水，不存在內(nèi)側(cè)水壓力，因此閘室墻外側(cè)土壓力和孔隙水壓力為影響閘室墻變形和穩(wěn)定的主要外部荷載。通過對回填荷載下閘室外側(cè)土、水壓力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果研究閘室外側(cè)受力特征，分析卸荷板的卸荷效應(yīng)[9]。

圖3給出界面土壓力隨儀器埋深的變化趨勢。可以看出，在回填施工期，閘室墻后界面土壓力隨著回填土高度的增加而不斷增大，而在施工結(jié)束后，界面土壓力則表現(xiàn)出下降的態(tài)勢，在底板作用區(qū)下降的幅度更加明顯，說明隨著時間的推移，閘室墻所受到的外力逐漸收斂到某一較小的定值，保證了閘室結(jié)構(gòu)的安全性。而在卸荷板（距墻頂7.5 - 8.7 m高度）位置附近，閘室墻界面土壓力出現(xiàn)極值132.56 kPa.在此小范圍高度內(nèi)土壓力先增大到極大值，再迅速減小至50 kPa以下，出現(xiàn)很明顯的卸荷區(qū)域。

為進(jìn)一步研究閘室結(jié)構(gòu)所受土壓力的變化規(guī)律，圖3中加入了回填施工結(jié)束后104 d工況下利用有限元軟件得到的無卸荷板以及帶卸荷板兩種情況下的數(shù)值模擬結(jié)果。

通過對比有無卸荷板模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，卸荷板上部和卸荷板作用區(qū)內(nèi)土壓力實測結(jié)果稍低于數(shù)模結(jié)果：在卸荷板下部，實測結(jié)果明顯小于無卸荷板模擬的結(jié)果;而在底板作用區(qū)內(nèi)，實測結(jié)果仍小于無卸荷板模擬的結(jié)果，但是實測結(jié)果隨時間發(fā)展而出現(xiàn)分化，回填后時間越長，實測結(jié)果越小，卸荷效應(yīng)越明顯。從帶卸荷板模擬的結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果基本吻合。因此，不難發(fā)現(xiàn)：除卸荷板作用區(qū)外，其他區(qū)域均為卸荷板的卸荷區(qū)，且卸荷程度大小依次為卸荷板下部、底板作用區(qū)、卸荷板上部區(qū)域。

通過設(shè)置在卸荷板的上表面和側(cè)面的兩組界面土壓力傳感器T1-4及T1-5，得到回填結(jié)束后的4組數(shù)據(jù)，并由庫侖土壓力理論計算得到相應(yīng)的主動土壓力系數(shù)（見表2），可以發(fā)現(xiàn)回填土的主動土壓力系數(shù)在0.55 -0.61之間。

通過式（1）計算得到的主動土壓力系數(shù)為0.580，與現(xiàn)場實測得到的主動土壓力系數(shù)接近，從側(cè)面印證了現(xiàn)場監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 孔隙水壓力分析

圖4為孔隙水壓力在閘室墻高度方向的變化規(guī)律。可以看出，回填施工過程中孔隙水壓力隨儀器埋深的增大近似呈線性增大的趨勢。此外，回填施工后104 d的孔隙水壓力稍大于回填施工期的，原因是：回填初期，基坑降水施工的影響及回填土的含水量較低，土中水大多以結(jié)合水和毛細(xì)水的形態(tài)存在，而結(jié)合水和毛細(xì)水均不能傳遞靜水壓力，也就不能產(chǎn)生孔隙水壓力;回填施工后期，河道滲流、降水等導(dǎo)致地下水位升高，墻后回填土逐漸飽和，測得的孔隙水壓力有所增大?；靥钍┕ず?04 d時多出來的那部分孔隙水壓力來自于重力水。

3.3 有效應(yīng)力分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測得到的土壓力為土中有效應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力的總和，而由孔壓計得到的壓力值代表的是孔隙水應(yīng)力?？捎赏翂毫幸约翱讐河嫷膶崪y數(shù)據(jù)得到有效應(yīng)力在閘室墻高度方向的變化規(guī)律，見圖5。

對比土壓力隨儀器埋深的變化趨勢，有效應(yīng)力隨埋深變化趨勢的特征更加明顯。對比圖中無卸荷板時的閘室墻后有效應(yīng)力，可以看出帶卸荷板的閘室結(jié)構(gòu)所受的有效應(yīng)力大大降低，卸荷效應(yīng)得以顯現(xiàn)：墻后回填施工結(jié)束后，在外力作用下閘室墻的變形，引起閘室墻后回填土有效應(yīng)力進(jìn)一步降低，卸荷效果得到進(jìn)一步提升。值得注意的是，恰好在卸荷板（距墻頂7.5-8.7 m高度）位置下部0.5 m高度，出現(xiàn)有效應(yīng)力接近于零的區(qū)域，得到極為理想的卸荷效果。

由式2可以得出卸荷程度系數(shù)的范圍介于0-1之間，因增加卸荷板而消散的有效應(yīng)力越大，卸荷程度系數(shù)也就越大，卸荷板的卸荷效果越理想。

選取典型測點T1-8，根據(jù)式（2）計算得到表3。從表3可以看出，除工后50 d外，其余3種工況卸荷程度系數(shù)均在0.67左右，可見墻后回填施工結(jié)束后卸荷程度系數(shù)最終收斂于0.67。因此增加卸荷板后，閘室墻所受到的有效應(yīng)力顯著降低，基本上為無卸荷板時的三分之二，卸荷效果非常理想。

進(jìn)一步選取回填施工后104 d所測得的卸荷板下側(cè)T1-7、T1-8、T1-9、T1-IO四個土壓力測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行卸荷程度系數(shù)分析，根據(jù)式（2）經(jīng)過計算得到表4。

圖5給出了閘室墻后有效應(yīng)力變化趨勢，而表4則從數(shù)據(jù)上直接展現(xiàn)了閘室墻外側(cè)不同高度處的卸荷效果。從有效應(yīng)力消散的絕對值上看，T1-8測點的卸荷效果最理想，T1-9測點的卸荷程度最低：而從卸荷程度系數(shù)來看，則是T1-7與T1-IO測點的卸荷效果最佳，T1-9測點次之，T1-8測點最差。4個測點的卸荷程度系數(shù)均值為0.890，即表示閘室墻卸荷板下側(cè)區(qū)域平均卸荷程度高達(dá)90%，使得閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到保證。

4 結(jié)構(gòu)整體變形分析

閘室結(jié)構(gòu)安全性的最直觀體現(xiàn)在于轉(zhuǎn)角和位移等。通過閘室墻不同高度處預(yù)先埋設(shè)的傾角儀，監(jiān)測墻體在回填荷載下的轉(zhuǎn)角變化，再計算閘墻水平不同位置處的水平位移，從而為控制墻后回填速率、檢驗工程效果等提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐。

由閘室墻的轉(zhuǎn)角位移通過弧長公式換算得到閘室墻的水平位移隨時間的變化趨勢（見圖6，以指向閘室墻內(nèi)側(cè)方向為正）。帶卸荷板的閘室結(jié)構(gòu)整體水平位移遠(yuǎn)小于無卸荷板的閘室結(jié)構(gòu)。

由閘室墻的水平位移變化趨勢可以看出，在回填初期，閘室墻由于自重作用產(chǎn)生背離閘室的水平位移。隨著回填土高度的不斷升高，墻體逐漸產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的水平位移。在回填荷載作用下，沿墻體高度向上，水平位移呈先增大后減小的變化趨勢，至卸荷板處位移達(dá)到最大值，卸荷板以下位置水平位移逐漸變小，直至位移為零。

在閘室墻頂部，卸荷板承擔(dān)的土體自重使得閘室墻上部產(chǎn)生與土壓力相反方向的位移，這部分位移明顯小于土壓力作用于閘室墻使墻體產(chǎn)生的位移，使得頂部水平位移逐漸變小，閘室墻變形得到抑制，直至監(jiān)測末期接近于零，卸荷效應(yīng)得以顯現(xiàn)，閘室結(jié)構(gòu)安全性得到保證。

5 結(jié)語

通過對回填荷載下帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行土壓力及變形監(jiān)測分析，得到以下結(jié)論：①回填荷載作用下，帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)相較于無卸荷板時，墻體受到的土壓力存在明顯的卸荷區(qū)，閘室結(jié)構(gòu)檢修期的抗傾覆能力得到提高：②卸荷板對整體式閘室結(jié)構(gòu)具有明顯的卸荷作用，土壓力、有效應(yīng)力及墻體水平位移均明顯低于無卸荷板的閘室結(jié)構(gòu)：③卸荷板可有效降低結(jié)構(gòu)的傾角及水平位移，閘室的安全性與穩(wěn)定性得到提升，可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐志峰，趙曉明，某船閘駁岸擋墻修護(hù)加固方案優(yōu)化分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，2015（5）：103-108.

[2] 姜滿山，李夫仲，南坪船閘工程重要性及創(chuàng)新設(shè)計[J].工程與建設(shè)，2016.30（1）：49-52.

[3] BENMEBAREK S，KHELIFA T，BENMEBAREK N，eta1. Numerical Evaluation of 3D Passive Earth PressureCoefficients for Retaining Wall Subjected to Translation[J].Computers and Ceotechnics， 2008， 35（1）：47-60.

[4] 付長靜，李國英，米占寬，等，卸荷式板樁高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)土壓力簡化計算[J].巖土力學(xué)，2015，36（8）：2426-2432.

[5] 王琰，譚慧明，焦志斌，分離卸荷式板樁碼頭中樁基一卸荷承臺結(jié)構(gòu)的卸荷機(jī)理研究[J].水道港口，2017，38（1）：72-79.

[6] 龔麗飛，分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土相互作用研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2007：34-66.

[7]李武，陳甦，程澤坤，等，水平荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設(shè)，2012（5）：14-18.

[8]席榮，關(guān)云飛，李夫仲，帶卸荷板的整體式閘室結(jié)構(gòu)受力與變形有限元分析[J].水運(yùn)工程，2018（5）：116-121

[9] 郭鴻儀，呂寶柱，卸荷板卸荷效應(yīng)的模型驗證[J].巖土工程學(xué)報，1993，15（1）：81-85.

【責(zé)任編輯馬廣州】