基于有限強(qiáng)度的閘壩軟土地基加筋擋墻變形值計(jì)算研究

趙 波

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

0 前 言

閘壩工程設(shè)計(jì)需要對(duì)其軟土地基進(jìn)行加固處理，一般采用加筋擋墻進(jìn)行閘壩軟土地基的加固處理[1]。而加筋擋墻受到地基沉降影響容易產(chǎn)生變形，需要在工程實(shí)施過程中對(duì)其變形特征進(jìn)行計(jì)算，從而設(shè)定加筋擋墻的相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)[2]。當(dāng)前，對(duì)于閘壩軟土地基加筋擋墻變形值計(jì)算取得一定研究成果[3-9]，這些成果大都采用單一強(qiáng)度折減方式進(jìn)行變形值的計(jì)算，而不能綜合考慮加筋擋墻內(nèi)摩擦和黏滯力對(duì)其變形值的影響，存在一定的局限[10]。近些年來，基于有限強(qiáng)度折減的方法，由于可綜合考慮多要素多工程變形特征影響，在一些水利工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用[10-15]，應(yīng)用效果均表明其變形值計(jì)算精度要好于傳統(tǒng)的單一強(qiáng)度折減方法，但該方法在閘壩軟土地基的加筋擋墻變形特征中應(yīng)用還較少，為此文章結(jié)合有限強(qiáng)度方法，以遼寧某閘壩工程為具體實(shí)例，探討該方法對(duì)閘壩軟土地基加筋擋墻變形計(jì)算的適用性，研究成果對(duì)于閘壩軟土地基加筋擋墻變形計(jì)算方法具有重要的參考價(jià)值。

1 計(jì)算原理

在加筋擋墻表層負(fù)荷保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)其面板的抗剪和承載能力進(jìn)行綜合對(duì)比，將加筋擋墻內(nèi)部的摩擦系數(shù)以及黏滯力指標(biāo)與強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行相處得到不同強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算方程：

(1)

(2)

式中：C為黏滯力強(qiáng)度參數(shù)；SRF為有限強(qiáng)度折減參數(shù)；φ為的擋墻內(nèi)部土層摩擦力強(qiáng)度參數(shù)。整個(gè)閘壩軟土地基按照有限元方法劃分成不同計(jì)算單元，各單元獨(dú)立進(jìn)行強(qiáng)度折減計(jì)算，結(jié)合黏滯力強(qiáng)度參數(shù)對(duì)其變形值進(jìn)行計(jì)算：

c=c'+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：ua-uw為加筋擋墻的法向荷載的剪切應(yīng)力，kPa。對(duì)閘壩軟土地基的加筋擋墻面板進(jìn)行雙強(qiáng)度折減計(jì)算：

(4)

不同有限元的變形沉降值計(jì)算采用4點(diǎn)加權(quán)有限差分方法進(jìn)行求解：

(5)

式中：θ為差分求解系數(shù)，在0-1范圍內(nèi)取值；f為各有限計(jì)算單元的變形沉降值，mm。

2 實(shí)例分析

2.1 閘壩設(shè)計(jì)概況

文章以遼寧某閘壩工程為研究實(shí)例，閘壩工程總長度和高程分別為40m和15m，為對(duì)計(jì)算精度進(jìn)行分析，布設(shè)5個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面，閘壩軟土地基主要土層分布和力學(xué)參數(shù)，見表1。

2.2 變形計(jì)算值誤差分析

對(duì)閘壩軟土地基加筋擋墻的5個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面土層進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，不同監(jiān)測(cè)斷面土層力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果，見表2。結(jié)合5個(gè)斷面力學(xué)參數(shù)設(shè)定結(jié)果，分別采用傳統(tǒng)單一折減和有限元折減方法對(duì)閘壩軟土地基加筋擋墻的變形值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合5個(gè)變形監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)變形值對(duì)其計(jì)算誤差進(jìn)行分析，不同方法加筋擋墻計(jì)算誤差分析結(jié)果，見表3。

表1 閘壩軟土地基主要土層分布和力學(xué)參數(shù)

表2 不同監(jiān)測(cè)斷面土層力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

表3 不同方法加筋擋墻計(jì)算誤差分析結(jié)果

從該閘壩軟土地基的各土層力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果可看出，各監(jiān)測(cè)斷面的靜力荷載比主要和其土層承載能力有關(guān)，土層能力較大的其靜力荷載比一般較大，楊氏模量主要表征土層的抗滑穩(wěn)定能力，從該參數(shù)的測(cè)定結(jié)果可看出，粉質(zhì)砂土和素填土的抗滑穩(wěn)定性較高，因此其楊氏模量要大于砂壤土以及砂黏土的楊氏模量值。從各土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角測(cè)定結(jié)果可看出，不同土層由于顆粒粗細(xì)使得其黏聚力和內(nèi)摩擦角變化有所差異，其和土層的顆粒有較為直接的相關(guān)性。從不同方法加筋擋墻的計(jì)算誤差分析結(jié)果可看出，相比于單一折減方法，采用基于有限元強(qiáng)度折減方法后，其變形值計(jì)算誤差有明顯改善，相比于傳統(tǒng)方法，其各監(jiān)測(cè)斷面的計(jì)算誤差平均降低約15%。

2.3 加筋擋墻變形特征分析

在有限強(qiáng)度折減方法分析的基礎(chǔ)上，對(duì)閘壩軟土地基加急擋墻的變形特征進(jìn)行分析，見圖1。

從加筋擋墻面板位移變化可看出，隨著面板高度增加其位移變化呈現(xiàn)陡增變化，最大水平位移變形量達(dá)到30mm，而面板底部水平變形位移低于10mm，這主要是因?yàn)槠涞撞渴芑炷凉袒?yīng)較為明顯，其位移變化主要為縱向變形，而水平變形位移相對(duì)較低。加筋擋墻面板受到上層土層壓力作用，發(fā)生不同程度的變形，但整體由于加筋擋墻的固定作用影響，總體處于較為穩(wěn)定的狀況。從頂部和軟土地基沉降變化可看出，其沉降變化規(guī)律較為相似，這主要因?yàn)榧咏顡鯄κ苘浲恋鼗绊懓l(fā)生沉降變形，而加筋擋墻由于自身重力發(fā)生的沉降位移較小。

2.4 加筋擋墻變形影響因子分析

對(duì)不同靜力荷載作用下加筋擋墻變形影響因子進(jìn)行探討，主要分析其沉降和水平位移的影響，不同靜力荷載作用下的加筋擋墻變形影響因子分析結(jié)果，見表2。

位移 沉降變化

沉降變化 位移變化

從分析結(jié)果可看出，加筋擋墻變形沉降隨著楊氏模量的增加而逐步減小，水平位移隨著楊氏模量的增加而逐步增加。加筋擋墻非均勻變形受楊氏模量影響較大，加筋擋墻的變形沉降在楊氏模量為6.0Mpa呈現(xiàn)顯著的線性變化特征。閘壩軟土地基的穩(wěn)定性受加筋擋墻加固影響得到明顯提升。軟土地基底部壓力由于加筋擋墻作用產(chǎn)生不均勻沉降變化。在閘壩軟土地基施工中應(yīng)盡量對(duì)閘壩軟土地基的內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)行調(diào)整，降低其變形沉降，從而提高其軟土地基的抗滑穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

1)相比于單一折減方法，采用基于有限元強(qiáng)度折減方法后，其變形值計(jì)算誤差有明顯改善，相比于傳統(tǒng)方法，其各監(jiān)測(cè)斷面的計(jì)算誤差平均降低約15%。

2)隨著面板高度增加其位移變化呈現(xiàn)陡增變化，最大水平位移變形量達(dá)到30mm，而面板底部水平變形位移<10mm，這主要是因?yàn)槠涞撞渴芑炷凉袒?yīng)較為明顯，其位移變化主要為縱向變形，而水平變形位移相對(duì)較低。加筋擋墻面板受到上層土層壓力作用，發(fā)生不同程度的變形，但整體由于加筋擋墻的固定作用影響，總體處于較為穩(wěn)定的狀況。

3)在閘壩軟土地基施工中應(yīng)盡量對(duì)閘壩軟土地基的內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)行調(diào)整，降低其變形沉降，從而提高其軟土地基的抗滑穩(wěn)定性。