某豎直擋墻應(yīng)力分析及工程措施選擇

李 陶

(黔南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院項(xiàng)目管理中心，貴州 都勻 558000)

1 工程概況

某豎直C15混凝土擋墻高17.8m，頂寬7m，底寬7m，長30m，墻前常年有水，正常水位約5m，墻背側(cè)為非黏性土回填至墻頂，墻體無縱向及側(cè)向排水措施，回填區(qū)域土體平均寬度約20m，長度、高度同擋墻尺寸，擋墻結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 擋墻結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)力分析

2.1 二維應(yīng)力分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及資料選取計(jì)算參數(shù)、確定計(jì)算工況，對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算成果見表1。

根據(jù)上述計(jì)算成果可知各工況下?lián)鯄拙鶗?huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，但二維計(jì)算成果無法準(zhǔn)確描述基底拉應(yīng)力的作用方向、位置及范圍，因此可能會(huì)影響后續(xù)措施選擇的合理性和可靠性[1]。

2.2 三維應(yīng)力分析

為進(jìn)一步確定基底拉應(yīng)力的作用方向、位置及范圍，同時(shí)檢驗(yàn)二維計(jì)算成果，現(xiàn)對(duì)該擋墻進(jìn)行了三維有限元分析計(jì)算，具體成果見圖2及表2。

圖2 擋墻應(yīng)力分析計(jì)算圖

注：上圖從左至右分別為最大主拉應(yīng)力分布圖、最大主壓應(yīng)力分布圖、豎直向應(yīng)力、水平向應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)力矢量圖。

表2 擋墻應(yīng)力極值計(jì)算成果表

注：表中正應(yīng)力符號(hào)正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力。

根據(jù)上述計(jì)算成果分析可知：

1)擋墻應(yīng)力極值出現(xiàn)在墻底，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墻底靠回填土側(cè)角點(diǎn)，最大主拉應(yīng)力達(dá)到2.277MPa，最大豎直向拉應(yīng)力達(dá)到1.356MPa，主拉應(yīng)力方向傾斜與水平面大致呈45°角。

2)受墻背側(cè)回填區(qū)域土壓力、內(nèi)外靜水壓力、墻底揚(yáng)壓力影響，擋墻拉應(yīng)力分布范圍較大，在擋墻底部豎直向拉應(yīng)力分布范圍約占1/3墻寬，在高度方向也大致分布約1/3墻高。

3)墻底平均剪應(yīng)力約0.5MPa，靠近截面內(nèi)、外邊緣處剪應(yīng)力值較大，約1.0MPa。

4)擋墻應(yīng)力值在墻體底部較大，墻底至1/3墻高范圍內(nèi)應(yīng)力值明顯較大，上部2/3墻高范圍內(nèi)，應(yīng)力水平明顯降低。

綜上，三維計(jì)算成果可較為直觀的展示擋墻的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)后續(xù)措施的合理選擇更為有利。

3 措施選擇分析

為消除基底拉應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響，綜合考慮該擋墻自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力情況，可嘗試從以下幾個(gè)角度提出相應(yīng)處理措施。

3.1 對(duì)墻背側(cè)回填土體進(jìn)行處理

因該擋墻墻背側(cè)為非黏性土回填至墻頂，回填高程較高，且墻體無縱向及側(cè)向排水措施，故針對(duì)其特點(diǎn)可對(duì)墻背側(cè)回填土體進(jìn)行處理，以達(dá)到直接降低其土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力的效果，進(jìn)而消除基底拉應(yīng)力并滿足相關(guān)要求，主要思路可歸納如下：

1)置換處理：

通過工程措施直接置換該區(qū)域回填土體，如采用塊石置換回填土體、或?qū)靥钔羺^(qū)域進(jìn)行高壓旋噴灌漿等，但該思路的施工難度較大、投資較高。

2)開挖處理：

經(jīng)計(jì)算，可考慮對(duì)回填區(qū)域大部土體直接進(jìn)行開挖處理，并增設(shè)縱向及側(cè)向排水措施，該思路較為簡潔，投資較小，但未綜合考慮回填區(qū)域土體的開挖難度、施工風(fēng)險(xiǎn)及后期管護(hù)需求。若將該思路作進(jìn)一步延伸，以充分降低回填區(qū)域的開挖難度、施工風(fēng)險(xiǎn)，并確保后期管護(hù)需求為主要目的，可由對(duì)回填區(qū)域大部土體進(jìn)行開挖處理調(diào)整為局部土體進(jìn)行開挖處理，并輔以工程措施，如在開挖區(qū)域新增加筋土或衡重式擋墻等對(duì)未開挖回填土體形成二次攔擋以滿足要求，但延伸后的開挖處理思路施工難度雖有所降低、但投資增幅明顯。

綜上，雖然在墻背側(cè)對(duì)回填土體進(jìn)行處理思路比較明確，但受回填區(qū)域平面尺寸較小、高度較高等客觀因素制約，其施工風(fēng)險(xiǎn)較大，投資較高。

3.2 對(duì)墻體沿主拉應(yīng)力方向進(jìn)行錨固

考慮到擋墻主拉應(yīng)力區(qū)的范圍、方向、大小等特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算后也可直接采用雙排或三排錨筋沿著主拉應(yīng)力方向?qū)w基底受拉區(qū)域進(jìn)行錨固。該思路也較為明確，雖其投資較低，但施工難度較大，特別對(duì)是錨固角度的控制要求較高。

3.3 在墻外側(cè)增加支撐體

考慮到擋墻為直墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，可在擋墻外側(cè)新增混凝土支撐體達(dá)到通過調(diào)整結(jié)構(gòu)形心位置來改善其受力狀態(tài)以達(dá)到消除基底拉應(yīng)力的目的，該思路清晰，施工難度較小、投資適中，該支撐體結(jié)構(gòu)型式或可考慮如圖3所示。

圖3 支撐體結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 語

在對(duì)改善豎直擋墻應(yīng)力狀態(tài)的工程措施進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和客觀條件限制，重視主拉應(yīng)力區(qū)的范圍、方向、大小，以確保方案的科學(xué)合理，同時(shí)在滿足要求的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮降低施工難度以確保施工安全及工程質(zhì)量。