河道堤防軟土層抗拔受力計(jì)算方法改進(jìn)及工程應(yīng)用

曹婷婷

(桓仁滿(mǎn)族自治縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117200)

在河道整治工程中，對(duì)于具有軟土地基的河道堤防首先需要對(duì)地基抗拔受力進(jìn)行計(jì)算，從而分析河道堤防的穩(wěn)定性[1]。在國(guó)內(nèi)許多河道堤防工程設(shè)計(jì)中，軟土地基抗拔受力主要采用荷載傳遞方法進(jìn)行計(jì)算[2-7]，但該方法由于未能考慮河道堤防軟土地基的自重，土體抗拔受力計(jì)算精度不高，而土地抗拔受力計(jì)算精度高低將直接影響河道堤防的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，為提高河道堤防穩(wěn)定設(shè)計(jì)，保障汛期河道堤防的安全運(yùn)行，亟需對(duì)河道堤防軟土地基抗拔受力計(jì)算精度提高進(jìn)行研究[8]。近些年來(lái)，有研究學(xué)者在軟土地基土力學(xué)計(jì)算中，通過(guò)引入土體自重因子，對(duì)抗拔受力計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，并在一些水庫(kù)、水閘工程建設(shè)項(xiàng)目中得到具體應(yīng)用[9-15]，應(yīng)用效果均表明相比于傳統(tǒng)方法計(jì)算精度有所改進(jìn)，但在河道堤防工程設(shè)計(jì)中還未得到具體應(yīng)用，本溪地區(qū)中小河流堤防大都為軟土地基，為提高其河道堤防穩(wěn)定性，本文引入土體自重因子，對(duì)抗拔受力傳統(tǒng)荷載傳遞方法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)前后計(jì)算方法的精度進(jìn)行對(duì)比，研究成果對(duì)于于河道堤防穩(wěn)定性計(jì)算具有重要的參考價(jià)值。

1 改進(jìn)方法原理

傳統(tǒng)軟土地基抗拔受力主要是對(duì)不同單元的荷載進(jìn)行承載力的計(jì)算，計(jì)算方程為：

ΔT=ΔRtanφ+cΔL

(1)

式中，ΔT—垂向承載力，kPa；φ—土層之間的摩擦力，kPa；c—土層之間垂向的切應(yīng)力，kPa；ΔL—土層受力面之間的寬度，mm；ΔR—垂向切應(yīng)力的變化量，kPa。

ΔR的計(jì)算方程為：

ΔR=ΔQcosθ+KpΔQsinθ

(2)

式中，Kp—垂向壓力荷載傳遞系數(shù)；θ—軟土地基水平方向夾角(°)；ΔQ—軟土地基土層抗拔方向夾角(°)；其余變量含義同前所述。

ΔQ的計(jì)算方程為：

ΔQ=γ(H-Z-ΔZ/2)ΔL

(3)

式中，γ—土體自重因子，kg；Z—土體垂向距離，mm；H—土體水平距離，mm；其余變量含義同前所述。

采用靜力學(xué)方程對(duì)土體單元抗拔受力進(jìn)行計(jì)算：

PV+μqπx2-μπ(q+Δq)(x+Δx)2-

ΔW-2μπ(x+Δx/2)ΔTsinθ=0

(4)

式中，x—土體重心到受力點(diǎn)之間的距離，mm；Δx—變動(dòng)長(zhǎng)度，mm；u—圓周比；Pv—抗拔受力計(jì)算的靜止荷載，kPa；q—單位土體抗拔承載力，kPa。

采用微分方程求解原理對(duì)靜力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算：

(5)

其中河道堤防軟土地基不同方向荷載計(jì)算方程為：

(6)

式中，WP—軟土地基的自重，kg；L—河道堤防軟土地基的總長(zhǎng)度，m；τmax—剪切應(yīng)力的最大計(jì)算值，kPa。

τmax的計(jì)算方程為：

τmax=Kσvtanφ′+c′=kγztanφ′+c′

(7)

式中，φ′—土層內(nèi)摩擦力計(jì)算值，kPa；K—垂向應(yīng)力比。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 河道堤防軟土地基特征參數(shù)

以本溪地區(qū)某中小河流治理工程為典型實(shí)例進(jìn)行軟土地基抗拔受力計(jì)算。主要采用樁固結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟土地基的穩(wěn)定加固。軟土地基加固長(zhǎng)度為1.5km，工程主要軟土地基土地以及樁固測(cè)定的主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 河道堤防軟土地基土及樁固特征參數(shù)

2.2 軟土地基變形位移計(jì)算對(duì)比

分別采用改進(jìn)前后的河道堤防軟土地基抗拔受力計(jì)算方法計(jì)算滑塊變形位移，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)不同土體縱向深度的位移變化進(jìn)行沿程分析，如圖1所示。

由改進(jìn)前后軟土地基抗拔受力分析計(jì)算結(jié)果可看出，改進(jìn)方法的變形位移量相比于改進(jìn)前有所減小，改進(jìn)后的抗拔受力分析方法由于綜合考慮軟土地基土體自重因子的影響，使得其縱向深度西的切向應(yīng)力有所減小，從而相對(duì)減少不同縱向深度的土層變形位移量。由表2還可看出隨著縱向深度的不斷增加其土層變形位移量逐步較大，隨著縱向深度遞增土層均值變化有所減小從而加大了變形位移量。由圖1可看出，改進(jìn)前后縱向深度的變形位移總體呈現(xiàn)非線性變化，改進(jìn)方法的縱向變形位移總體偏右，在相同縱向深度改進(jìn)方法的土層變形位移均小于改進(jìn)前，河道堤防軟土地基土體和樁體在縱向深度的變形位移具有一定的相似性，這主要是因?yàn)橥馏w和樁體均受土層荷載力影響，當(dāng)縱向深度增加后其外擴(kuò)變形位移有所增加。

表2 土體及樁體變形位移計(jì)算對(duì)比結(jié)果

圖1 軟土地基樁體和土體縱向深度的位移變化

2.3 改進(jìn)前后土體變形量計(jì)算對(duì)比

分別采用改進(jìn)前后的抗拔受力計(jì)算方法對(duì)研究河段堤防軟土層的變形量進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)前后河道堤防軟土層變形量計(jì)算結(jié)果對(duì)比 單位：mm

由改進(jìn)前后研究河段堤防軟土土層變形量計(jì)算對(duì)比結(jié)果可看出，改進(jìn)后的方法相比于改進(jìn)前土層變形量計(jì)算誤差可減小約15%。通過(guò)增加土層自重因子，一定程度提高了縱向深度土層之間的靜力荷載，使土層之間的變形量計(jì)算精度得到不同程度的提高。由不同靜力荷載作用的變形量可看出，隨著荷載力的增加變形量呈現(xiàn)先微弱遞增后明顯遞增的變化，這主要是因?yàn)殡S著靜力荷載的增加，土層變形位移加大，使得河道堤防軟土層的變形量加大。

2.4 靜力荷載作用的抗拔受力

采用改進(jìn)的荷載計(jì)算方法對(duì)不同靜力荷載作用的抗拔受力進(jìn)行計(jì)算，并分析其靜力荷載作用的河道堤防軟土地基土體和樁體的變形量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4—5。

表4 不同靜力荷載作用的河道堤防軟土地基土體變形量計(jì)算值

對(duì)不同靜力荷載作用的變形量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

圖2 不同靜力荷載作用的軟土地基的土體和樁體變形分布曲線

從不同靜力荷載作用的河道堤防軟土層變形分布可看出，當(dāng)靜力載荷從300kN遞增到900kN后，隨著靜力荷載的增加其河道堤防軟土層逐步被壓實(shí)，降低了土層之間的內(nèi)摩擦力，增加了其軟土層之間的黏聚力。此外隨著縱向軸力的增加，同一個(gè)靜力荷載作用的抗拔受力逐步增加，縱向深度下的變形量也將有所增加。從不同靜力荷載作用的軟土地基的變形分布曲線可看出，隨著靜力荷載的增加，其土體和樁體變形量總體呈現(xiàn)二次曲線變化，隨著橫向應(yīng)力的增加，其土層滑塊變形量逐步加大，當(dāng)橫向應(yīng)力最大時(shí)，其變形量達(dá)到最大，后逐步趨于穩(wěn)定，當(dāng)達(dá)到土層極限荷載后抗拔強(qiáng)度達(dá)到最高值，隨著抗拔強(qiáng)度不再發(fā)生變化，其變形量也將趨于穩(wěn)定。從軟土土層的樁體變形分布曲線可看出，相比于土體，其樁體不同橫向應(yīng)力的變形位移變化幅度更大，這主要是因?yàn)闃扼w的側(cè)壓力系數(shù)要高于土體，使得其橫向應(yīng)力的變形位移量要高于土體。從土體和樁體不同靜力荷載的變形分布曲線可看出，當(dāng)靜力荷載取值為900kN時(shí)可作為其外包線進(jìn)行抗拔強(qiáng)度的計(jì)算。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于河道堤防軟土層穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其天然孔隙率建議在0.8～1.5之間進(jìn)行取值，壓縮系數(shù)一般要高于0.5MPa，可有效降低軟土層變形沉降位移量。

(2)應(yīng)盡量減少河道堤防軟土地基的外部荷載量，外部荷載量的增加將會(huì)降低抗拔強(qiáng)度，影響穩(wěn)定性。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)樁體加筋方式，增強(qiáng)其土層之間的內(nèi)摩擦力，下層受力可通過(guò)輔助工程材料進(jìn)行靜力荷載均衡，提高軟土層的穩(wěn)定性。

(3)本文主要對(duì)軟土層靜力荷載作用的抗拔強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行了分析，在后續(xù)研究中還應(yīng)對(duì)外力荷載作用的抗拔強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行探討。