淺析扶壁式擋墻截面尺寸對穩(wěn)定計(jì)算影響

王 新，胥 慧

(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

擋土墻在水庫樞紐、引水樞紐、水電站及各種泵站渠系建筑物中有著廣泛應(yīng)用，在幾乎所有的水工建筑設(shè)計(jì)中都會(huì)遇到擋土墻的設(shè)計(jì)內(nèi)容。水工擋土墻多在有水條件下應(yīng)用。應(yīng)用廣泛和運(yùn)用條件復(fù)雜是水工擋土墻的兩個(gè)顯著特點(diǎn)。水工擋土墻有多種結(jié)構(gòu)型式。其主要和常用的結(jié)構(gòu)型式有重力式、衡重式、半重力式、懸壁式、扶壁式、U形結(jié)構(gòu)、板樁式、空箱式等。其中扶壁式擋墻屬于輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由立板、前趾板、踵板和扶壁組成，穩(wěn)定性主要靠底板以上填土重來保證。水利工程常采用扶壁式擋土墻，構(gòu)造圖見圖1。

圖1 扶壁式擋墻構(gòu)造圖

1 工程簡介

某項(xiàng)目泵站進(jìn)水口兩側(cè)擋墻，墻頂高程152.00m，底板頂高程144.00m，地下水位144.00m，墻后填土距離墻頂0.2m，擋墻基礎(chǔ)坐落在粉質(zhì)黏土層，容許承載力[R]=160kPa，基礎(chǔ)摩擦系數(shù)f=0.3。黏聚力C=22(KN/m2)，內(nèi)摩擦角Φ=20°，墻后填土重度γ=18(KN/m3)。大小應(yīng)力比允許值[η]=2.0， 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) [Kc]=1.3， 抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù) [K0]=2.0，擋墻平面布置圖見2。

圖2 泵站進(jìn)口擋墻布置圖

2 擋土墻設(shè)計(jì)

2.1 初擬斷面尺寸

在進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)斷面尺寸進(jìn)行擬定，扶壁式擋土墻的底寬與墻高之比一般為06-0.8，其比值大小取決于地基條件、填土強(qiáng)度指標(biāo)及墻前后水位等情況，扶壁間距凈寬約為0.3-0.5倍墻凈高，扶壁間距的確定還應(yīng)考慮施工條件。墻面板的厚度主要取決于墻高、扶壁間距、填土強(qiáng)度指標(biāo)及墻前后水位等條件。為便于施工，對于高墻墻面板寬度宜≥60cm。踵板的厚度約墻高的1/12。墻趾懸挑長度約為0.15-0.3倍底板長度，最大厚度應(yīng)與踵板厚度相適應(yīng)[1]。

綜上所述，擬定擋墻截面尺寸見表1。

表1 擬定擋墻截面尺寸表

2.2 計(jì)算條件及公式

擋土墻在施工、建成和運(yùn)用時(shí)期各種荷載組成不同組合，文章選擇基本組合完建期工況進(jìn)行穩(wěn)定分析，主要荷載由自重、土壓力、水重、靜水壓力組成。

文章?lián)跬翂Ψ€(wěn)定計(jì)算主要包括：擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算及基底應(yīng)力驗(yàn)算，計(jì)算公式如下：

1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

(1)

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；φ0為擋土墻基底面與土質(zhì)地基基之間的摩擦角，°；C0為擋土墻基底面與土質(zhì)地基基之間的黏結(jié)力，kPa；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面荷載，kN；A為擋土墻基礎(chǔ)底面面積，m2。

2)抗浮穩(wěn)定計(jì)算：

(2)

式中：∑V為建基面上垂直力總和；∑U為建基面上揚(yáng)壓力總和；Ko為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

3)基底應(yīng)力計(jì)算：

(3)

式中：B為擋土墻底板順?biāo)鞣较虻膶挾龋琺；Ma為以底板面上游端點(diǎn)a為矩心，計(jì)算全部荷載對它的力矩之和；∑G為建基面上垂直力總和，kN；e為偏心距，m。

2.3 計(jì)算結(jié)果

文章采用理正巖土計(jì)算6.5PB1版軟件，對初步擬定擋土墻截面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，其結(jié)果詳見表2。

表2 擋土墻截面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算表

從表2中可以看出，初步擬定的擋土墻截面抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果、基底應(yīng)力計(jì)算不滿足允許值要求，抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在地質(zhì)條件不變的情況下，根據(jù)扶壁式擋墻組成部分分析，趾板、踵板及底板厚度對穩(wěn)定都有影響，但是影響程度可能不同，因此針對不同部位尺寸變化對擋墻整體穩(wěn)定影響進(jìn)行優(yōu)化對比分析。

物理學(xué)和生物學(xué)中遇到的問題大多都受到諸多因素影響，常把復(fù)雜的多因素問題轉(zhuǎn)化成很多個(gè)簡單的單因素問題，這種解決辦法稱之為控制因素法。控制變量法解決問題的思路：選定一個(gè)因素作為自變量，其他因素取值不變，每次變化都可看做單因素變化，從而排除了其他因素的干擾，研究作為自變量的因素對事物的影響，對每個(gè)影響因素做同樣的處理，最后對整個(gè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。文章為了探究影響擋土墻整體穩(wěn)定變化規(guī)律的結(jié)構(gòu)尺寸，采用控制變量法對其進(jìn)行研究，將不同部位看作對應(yīng)一個(gè)因素，改變影響擋墻穩(wěn)定變化的一個(gè)因素，控制其他因素不變，進(jìn)而得到每個(gè)影響因素單獨(dú)作用下對擋墻穩(wěn)定變化的影響，再將整個(gè)計(jì)算結(jié)果綜合分析得出最為敏感的影響因素[2]。

文章主要重點(diǎn)分析趾板、踵板、底板厚度對擋墻穩(wěn)定的影響，根據(jù)計(jì)算目的的將每種影響因素分為5組，計(jì)算組次及計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 計(jì)算組次及計(jì)算結(jié)果

對表3數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，三組研究對象變化與底板應(yīng)力值、大小應(yīng)力比值、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)以及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別擬合，關(guān)系變化曲線如圖3-圖5。

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 底板厚度變化對穩(wěn)定分析影響

(a)

(b)

(c)

(d)圖4 前趾板懸挑長變化對穩(wěn)定分析影響

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 踵板懸挑長變化對穩(wěn)定分析影響

結(jié)合表3及圖3-圖5可以看出以下規(guī)律：

1)底板厚度變化對偏心距、基底應(yīng)力、大小應(yīng)力比值、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)以及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)影響均不大，且基本都呈線性變化趨勢。

2)前趾懸挑長度變化對偏心距、基底應(yīng)力影響較大、大小應(yīng)力比值，呈對數(shù)和指數(shù)趨勢；對抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)影響較小，呈線性變化趨勢；對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，呈線性變化趨勢。

3)對偏心距、基底應(yīng)力、大小應(yīng)力比值、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)以及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)影響均較大，且分別對基底應(yīng)力變化呈對數(shù)趨勢、對大小應(yīng)力比值呈指數(shù)趨勢以及對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)線性變化趨勢。

綜合以上分析可以得出結(jié)論：在進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)縱向比較時(shí)，調(diào)整底板厚度對整體穩(wěn)定分析變化不敏感；前趾長度對偏心距、基底應(yīng)力、大小應(yīng)力比值變化表現(xiàn)敏感，而對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)變化不敏感；踵板長度變化對整體穩(wěn)定變化敏感。在進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)橫向比較時(shí)，偏心距、基底應(yīng)力、大小應(yīng)力比值對前趾懸挑長度敏感性較強(qiáng)，對底板厚度敏感性最弱；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對踵板懸挑長度敏感性較強(qiáng)，對前趾懸挑長度敏感性最弱；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)對踵板懸挑長度敏感性較強(qiáng)，對前底板厚度敏感性最弱[3]。

通過對擋墻截面尺寸敏感性分析后，選擇底板厚度1m，前趾懸挑長度1.5m，踵板長度為6.4m，計(jì)算結(jié)果偏心距0.10m，最大基底應(yīng)力148.11kPa，最小基底應(yīng)力128.20kPa，大小應(yīng)力比1.2，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值1.33，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)5.71，距滿足設(shè)計(jì)要求，斷面選擇合理。

4 結(jié) 語

文章針對某泵站進(jìn)口擋墻實(shí)際工程，采用單變量分析方法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，得出擋墻底板厚度、前趾長度以及踵板長度對穩(wěn)定分析影響規(guī)律。綜上所述，合理選擇擋土墻截面尺寸對計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到事半功倍效果，對節(jié)約工程投資具有一定的優(yōu)勢，同時(shí)對水利設(shè)計(jì)初學(xué)者在進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)起到一定的幫助。