船閘閘室折線型墻背土壓力的計算

解學超 付文周

（四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院， 四川 成都 610017）

0 引言

工程設計中土壓力簡化計算主要有朗肯和庫倫理論。朗肯理論假定擋土墻后填土水平且無限遠，墻背垂直、光滑，根據墻后土體處于極限平衡狀態，推導出土壓力計算公式。庫倫理論假定墻背粗糙，墻后填土無限遠，破裂面為通過墻踵的平面，根據墻背與破裂面之間的楔狀土體平衡條件，求出最大土壓力[1]。

本文主要依據水運工程相關設計規范[2-3]，對船閘閘室折線型墻背的土壓力計算問題進行研究，通過分析和總結，以期為類似工程的土壓力計算提供參考。

1 閘室結構

內河某航電樞紐工程右岸布置Ⅲ級船閘，內閘墻墻背擬采用折線型式，墻后回填砂卵石至頂高程319.6m，墻后設有三排縱坡為0.5%的軟式排水管，基礎置于弱風化泥巖上，局部作固結灌漿處理，結構斷面如圖1所示。

圖1 結構斷面圖（單位：cm）

圖2 計算簡圖

2 計算條件

2.1 計算參數

固結灌漿后地基允許承載力[R]≥1.2MPa；

抗剪摩擦系數：f=0.55～0.60；

回填砂卵石重度：γ=19kN/m3；

墻背外摩擦角：

2.2 計算方法

選取受力較單一的完建工況進行計算，此時無外荷載，墻前、后均無水。

令閘墻各段背坡與垂線夾角為，變坡點至墻背頂點連線與垂線夾角為，第二破裂面與垂線的夾角為，根據計算參數可求得。

閘室墻背共有五段，每段的土壓力可采用延長墻背法計算[4]。根據參考文獻附錄H[2]：

AB段，按(a)圖計算；

BC段，按(b)圖計算；

CD段，按(e)圖計算；

DE段，按(d)圖計算；

EF段，計算同AB段。

2.3 分層計算的應用條件

對折線墻背土壓力的計算，分層計算然后累加求和的方法比較常用[4]，但事實上可以累加求和的前提是各分層均不產生第二破裂面或均產生第二破裂面，否則不能累加。

本閘墻整體計算就屬于不能分層計算然后累加求和的情況，但對C點驗算時，填土內不產生第二破裂面，土體沿墻背面滑動，可分層計算然后累加求和。

3 計算分析

3.1 整體計算及變坡點驗算

各段背坡既有適用庫倫理論的又有適用朗肯理論的，應以和聯合判斷采用何種計算方法。

按照規范列Excel表對折線型墻背進行整體計算及變坡點驗算，主要結果見表1中“規范”對應行數據。采用朗肯理論進行對比，主要結果見表1中“朗肯”對應行數據。

表1 不同土壓力計算方法對比

朗肯土壓力垂直方向的分力為土重，因此朗肯垂向土壓力系數可視為 1，即Kay=1。

驗算B點即計算垂直墻背A-B，“規范”為庫倫理論，考慮了墻背摩擦，故“規范”Eax＜“朗肯”Eax，“庫倫”Eay＞“朗肯”Eay=0，“朗肯”較“規范”驗算結果偏安全。

驗算C點時，土體滑動面為墻背，“規范”為庫倫理論，“規范”Eax＞“朗肯”Eax，“規范”Eay＜“朗肯”Eay，“規范”較“朗肯”驗算結果偏安全。

驗算D點時，土體滑動面由墻背和第二破裂面組成，“規范”為庫倫理論，但且豎向土壓力疊加ABCD所圍土體自重。計算表明“規范”Eax＜“朗肯”Eax，“規范”Eay＞“朗肯”Eay，“朗肯”較“規范”驗算結果偏安全。

整體驗算時有，適用朗肯理論，也可采用庫倫理論，但不能直接應用庫倫土壓力系數公式，應根據庫倫理論的土體極限平衡狀態求解，此時“規范”與“朗肯”計算結果完全一致。

3.2 分向土壓力系數

由前述分析，驗算B點時“朗肯”方法較保守，但驗算C點時偏不利，為進一步分析不同理論對折線墻背土壓力計算的影響，將墻背與垂線夾角α與水平向土壓力系數Kax和垂向土壓力系數Kay系數做圖對比。

圖3 Kax與α關系曲線

圖4 Kay與α關系曲線

圖中按實際取值。

1) 當時，庫倫 Kax＜朗肯 Kax，庫倫Kay＞朗肯Kay=1，顯然 Kay＞1是不符合實際的，故時，不能直接應用庫倫土壓力系數求解。

2) 當時，出現與 1)所述相同情況，由可知，當α極小時 Kay遠大于 1，導致計算的垂向土壓力與實際不符，因此α較小時應先求總土壓力Ea，再沿水平、垂直向進行分解。根據規范并結合本次計算，當ffffe0時，庫倫 Kax＜朗肯 Kax且庫倫Kay＞朗肯Kay，朗肯理論計算結果較庫倫理論安全。

3) 當時，庫倫Kax＞朗肯Kax，庫倫Kay＜朗肯Kay，庫倫理論計算結果較朗肯理論安全。

3.3 整體穩定分析

位于巖基上的閘墻，墻后填土應按靜止土壓力計算。靜止土壓力系數研究較多[5]，但尚未被規范采用，本次計算取1.25主動土壓力。

表2 閘室整體穩定和基底應力計算

4 結語

(1) 閘室折線型墻背整體穩定計算及變坡點驗算，應根據變坡點至墻背頂點連線與垂線夾角和背坡與垂線夾角α兩個條件判斷，選擇適用的計算方法。

(2)土壓力分層計算累計求和方法只適用于各分層均不產生第二破裂面或均產生第二破裂面的情況。

(3) 當很小時，應先求總土壓力Ea，再沿水平、垂直向進行分解；當時，不能直接應用庫倫土壓力系數公式計算，應根據庫倫理論的土體極限平衡狀態求解。

(4) 當時，朗肯理論計算結果較庫倫理論偏安全；當時，若滑動面僅為墻面，則庫倫理論計算結果較朗肯理論偏安全，若滑動面由墻面和第二破裂面組成，則朗肯理論計算結果較庫倫理論偏安全。

[1]李廣信, 張丙印, 于玉貞. 土力學[M]. 北京:清華大學出版社, 2013年.

[2]JTS 307—2001, 船閘水工建筑物設計規范[S].

[3]JTS 151—2011, 水運工程混凝土結構設計規范[S].

[4]薛殿基, 馮仲林等. 擋土墻設計實用手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2009年.

[5]張繼周, 王華敬, 劉福勝等. 靜止土壓力系數的計算方法及影響因素分析[J].水利與建筑工程學報, 2017, 15(1): 43-47.