防洪防潮工程悬臂式挡墙土压力数值研究

2021-11-08郭树仰

陕西水利 2021年10期

郭树仰

（福建省水利水电工程局有限公司，福建福州 350000）

悬臂式挡墙凭借着厚度小、形式简单的优势在支挡工程中被广泛应用。防洪防潮工程中，要求对悬臂式挡墙的土体压力做出科学计算，防止挡墙在破坏后对交通造成阻碍。在挡墙结构设计中，优选材料与方法，做好模型槽的合理设计，完善施工监测方案，按照墙背土压力分布规律做好主动土压力分析。

1 悬臂式挡墙特点分析

一般情况下，悬臂式挡墙主要包含立壁和墙底板两部分，整体呈现出倒“T”型结构。与其他挡墙结构相比，悬臂式挡墙结构质量比较轻，且挡墙结构更加稳定，其稳定程度和墙身自重、墙踵板具体位置的填土重力有关。与传统的重力式挡墙结构相比，悬臂式挡墙的墙踵板更长，与地基紧密联系，墙的重心更加倾向于填土一侧，因此悬臂式挡墙抗滑能力很强，抗倾覆性能较好，墙体十分稳定。悬臂式挡墙的断面小，墙面板不是很厚，对墙体施加土压力的时候容易破坏挡墙，为避免墙身弯矩过大，墙面板高度应设置在5 m 左右。防洪防潮工程中，悬臂式挡墙会受墙高因素影响，可以在已有的挡墙中，在墙顶位置叠加悬臂式挡墙，将二者结合后，使高挡墙被划分为2 个矮挡墙，从而达到抗滑移和抗倾覆的效果。在发挥组合式挡墙作用的同时，不宜在墙趾位置填土施工，如果缺乏墙前被动土压力，这时悬臂式挡墙的抗滑能力较多。为了保证挡墙稳定，让组合式的矮挡墙成为一个整体，建议在墙底板位置植入锚杆，凭借锚杆的抗滑能力，使墙体可以承受滑动力，让挡墙时刻保持稳固，发挥其在防洪防潮工程中的作用[1]。

2 防洪防潮工程悬臂式挡墙结构设计

2.1 材料与方法

对模型槽进行规范化设计，确保底板、挡板以及垫层部位的规范性。比如底板设计时，应用厚度为2 cm 的A3 钢板焊接成底板，尺寸为240 cm×130 cm×40 cm。对底板内部充实处理，应用砂体材料压实底板，保证模型稳定。侧向挡土板设计时，应用玻璃板与之相连，内部链接也用玻璃板，以此方便获取参数资料。上部设计时设置反力装置，为模型槽提供80 kN 竖向反力。

2.1.2 监测方案

对模型进行监测分析，记录静止土压力分布规律和上覆荷载变化规律等数据，上覆荷载在6 kPa～24 kPa 范围内，共有7 个等级，等级间相差3 kPa。监测实验中应用电阻式土压力盒，结合实验实际情况监测压力变化状态，应用千分表观察并测量悬臂式挡墙实际位移情况。应用AB 胶固定电阻式压力盒与千分表，确保受力均匀，可铺撒一层细砂，选用河沙为模型的填筑材料，内摩擦角为35°，密度为1800 kg·m-3，含水率3.4%，压缩模量为27 MPa，悬臂式挡墙弹性模量为200GPa。

2.1.3 模型槽填筑与模型建立

在填筑悬臂式挡墙模型槽的时候，应重视质量问题，对模型槽分层处理，保证每层厚度在20 cm 左右，随后填充，再用机器夯实，在距离挡墙20 cm 左右的位置采用人力夯实方法，填充完成后做好记录工作。应用FLAC3D 软件构建悬臂式挡墙模型，保证本研究的准确性，底部垫层厚度是1 m，两侧和底部经过高强度约束，使模型更加符合实际工作状态。依靠模型对挡墙墙背土压力影响因素做出细化研究，探究上覆荷载、混凝土强度等条件对土压力分布的影响[2]。

实验过程中，挡墙模型在确立时应综合考虑墙高、墙厚、底板宽与底板厚几个因素，根据以上因素选择36 组样本，其中28 组学习样本和8 组检验样本，应用FLAC3D 有限差分软件随机计算挡墙稳定性，见表1。

表1 挡墙设计断面尺寸因素搜索范围

应用8 组检验样本对模型展开精度检验，见图1，期望输出为样本计算安全系数，预测输出为人工神经网络预测值，经对比发现，二者数值接近，没有明显差异变化，说明预测值稳定。

教学过程由一个个教学环节组成，一个个教学环节好比是粒粒珍珠，而各环节间的过渡语则是串连珍珠之间的丝线，缺少这条线，再好的珍珠也成不了美丽的项链。因此我们要充分注意教学过程中过渡语的设计和运用。我在讲《圆明园的毁灭》一课时，根据教材内容，在二、三段设计了这样的过渡语：

图1 模型预测结果示意图

图2 中，预测结果的最大绝对误差为0.0053，最大相对误差为0.39%，最终预测结果精度可满足挡墙边坡稳定需求。

图2 模型预测输出值误差情况

2.2 悬臂式挡墙技术探索

经过实际工程研究发现，悬臂式挡墙容易受到墙高的限制，建议采用组合结构形式，即重力式挡墙与悬臂式挡墙叠加后，将高挡墙划分为两个矮挡墙，凭借墙底板长度优势，发挥挡墙在抗滑移方面的应用优势。上文提到了应用锚杆提高挡墙固定效果，但这种锚杆不是传统意义的锚杆，以往的锚杆需要依靠土体、注浆体、锚杆间粘结力或抗拔力阻止土体发生滑移。在防洪防潮工程中用到的锚杆更像是地锚，凭借锚杆为挡墙提供的抗滑力，在滑动面中产生抗剪强度。滑动面指的是挡墙墙底板和下部墙顶填土线之间的接触面，从严格意义上来讲属于潜在滑动面，由于其受力复杂，建议将地锚进行简化设计，使其被简化为抗滑桩受力模式。

3 防洪防潮工程悬臂式挡墙土压力数值计算结果

3.1 墙背土压力分布规律

经过监测分析发现，挡墙上部位移区间在-0.1 mm～0.15 mm 之间，挡墙的受力状态为静止土压力，经过模拟研究，得出悬臂式挡墙的墙背土压力分布情况，见图3，前两者压力分布规律相同，K0理论计算却不同，模型试验应用机械碾压夯实方法，碾压效果中加入了附加应力，所以模拟数值会偏大。在挡墙1/8 高度处出现拐点，墙背土压力会随着高度的增加而降低。

图3 悬臂式挡墙墙背土压力分布情况

经研究得知，墙踵对悬臂式挡墙底部压力分布情况有较大的影响，导致曲线中出现了拐点，在设计挡墙时应考虑墙踵作用，根据不同范围的实际情况合理设计挡墙，采用分段式方法，在拐点两侧应用K0理论计算方法、模拟实验完成悬臂式挡墙的模型建立。

3.2 墙背土压力影响分析

3.2.1 上覆荷载

悬臂式挡墙墙背土压力分布会在上覆荷载作用下呈“S”型，挡墙与墙踵在10 cm 向上的位置处出现峰值，这是因为墙背土压力受附加荷载与填土自重应力的影响。悬臂式挡墙的高度在降低时，附加荷载对墙体的影响不断减小，但是填土依然存在自重应力，对墙体产生的压力不断增大。通过数值模拟得知悬臂式挡墙墙背压力经过上覆荷载作用后结果一致。

3.2.2 混凝土强度

分别选择五种强度的混凝土，采用数值模拟的方法得出以下实验结果，见图4。悬臂式挡墙墙背土压力规律没有因为混凝土强度变化而出现较大改变，最大点位置与量值基本一致，而混凝土强度与悬臂式挡墙土压力保持正比关系，混凝土强度增大时，土压力也会增大，但幅值却在缩小。K0理论计算后的数值和试验数值间在20 cm 左右的压力值处有交点，墙挡底部低于20 cm 的时候，K0理论值比试验值小，超过20 cm 时理论值超过试验值，这是因为悬臂式挡墙出现了一定程度的变形与外倾现象，导致墙土压力改变，从被动土压力转为主动土压力，所以数值会减小。

图4 不同强度混凝土墙背土压力分布情况

3.2.3 挡墙宽高比

除了上覆荷载和混凝土强度这两方面影响因素，挡墙宽高比也会对墙体压力分布产生影响。选取不同挡墙宽高比展开研究，得知挡墙宽高比对悬臂式挡墙上部30 cm 范围内的土压力影响较大。挡墙宽高比不断增加，墙背土压力也在不断增大。不仅如此，挡墙宽高比对挡墙上部土压力更大，对下部土压力影响比较小[3]。

3.3 悬臂式挡土墙主动土压力分析

3.3.1 静荷载作用下的计算方法

对分级墙背条件下的挡墙土压力进行计算分析。首先，上墙土压力计算，采用库仑土压力理论完成墙背土压力计算与分析，如果墙背粗糙度较大，可能会出现两种情况，一种是墙背比较陡，但是倾角很小，那么假设就会成立；另一种情况及时墙背比较缓，但倾角很大，这时墙后土体如果受到破坏，滑动土楔可能不会按照原本方向滑动，导致第二破裂面发生。下面公式为作用在挡墙第2 滑裂面上的土压力情况：

式中：α 和θ 分别是第1 滑裂面与第2 滑裂面同竖直面之间的夹角；q 指的是挡墙墙踵和立板顶之间的连线夹角。如果此时悬臂式挡墙的填土使用的是无粘性土；γ 为容重；Φ 为内摩擦角；δ 为悬臂式挡墙墙背和填土的摩擦角；Ka为悬臂式挡墙的主动土压力系数。

其次，计算悬臂式挡墙的下墙土压力情况，由于目前防洪防潮工程中多采用二级悬臂式挡墙结构，其中包含2 个单级悬臂式挡墙组合而成的支护结构。分析下部分墙体对整个墙体的影响，探究是否会出现第2 破裂面，将作用在下墙部位的上墙自重和填土荷载转化为均布荷载进行计算，使悬臂式挡墙下墙土压力结果更加精准。假设墙高度为H，那么第2 破裂面上土压力的计算采用以下公式：

式中：Ka为挡墙主动土的压力系数；γ 为填土容重结果；h 为换算土柱。

3.3.2 振动作用下的动土压力计算方法

防洪防潮工程中，挡墙需要在振动作用下使用，其动态压力计算比较复杂，计算结果不仅与振动强度有关，也与墙后填土、挡墙振动特性保持联系。采用拟静力法，在静土压力库伦理论应用下，分析水平方向与竖向方向振动对墙体的影响，对挡墙边界参数做出调整，具体公式如下：

将新的参数用于主动土压力计算公式中，整理之后得出振动条件下悬臂式挡墙主动土的压力计算结果：

根据上述研究得出监测结果，在悬臂式挡墙中，高度对墙背土压力影响是最大的，1/8 高度范围内墙背土压力分布规律有序，在墙踵位置，墙背土压力减小。在上覆荷载中，上覆荷载和土压力的规律呈现出“S”形状，此时墙背土压力同时受填土自重应力与附加荷载影响。混凝土强度方面，墙背土压力会因为混凝土强度加强而增大，但是压力变化幅值却呈现出逐渐变小的发展趋势。对土压力进行计算时，还应从静荷载作用和振动作用两方面考虑，充分了解防洪防潮工程中悬臂式挡墙的结构优化设计方法。