基于有限強度的閘壩軟土地基加筋擋墻變形值計算研究

趙 波

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，沈陽 110003)

0 前 言

閘壩工程設計需要對其軟土地基進行加固處理，一般采用加筋擋墻進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生變形，需要在工程實施過程中對其變形特征進行計算，從而設定加筋擋墻的相關設計指標[2]。當前，對于閘壩軟土地基加筋擋墻變形值計算取得一定研究成果[3-9]，這些成果大都采用單一強度折減方式進行變形值的計算，而不能綜合考慮加筋擋墻內摩擦和黏滯力對其變形值的影響，存在一定的局限[10]。近些年來，基于有限強度折減的方法，由于可綜合考慮多要素多工程變形特征影響，在一些水利工程設計中得到應用[10-15]，應用效果均表明其變形值計算精度要好于傳統的單一強度折減方法，但該方法在閘壩軟土地基的加筋擋墻變形特征中應用還較少，為此文章結合有限強度方法，以遼寧某閘壩工程為具體實例，探討該方法對閘壩軟土地基加筋擋墻變形計算的適用性，研究成果對于閘壩軟土地基加筋擋墻變形計算方法具有重要的參考價值。

1 計算原理

在加筋擋墻表層負荷保持穩定的基礎上，對其面板的抗剪和承載能力進行綜合對比，將加筋擋墻內部的摩擦系數以及黏滯力指標與強度折減系數進行相處得到不同強度參數的計算方程：

(1)

(2)

式中：C為黏滯力強度參數；SRF為有限強度折減參數；φ為的擋墻內部土層摩擦力強度參數。整個閘壩軟土地基按照有限元方法劃分成不同計算單元，各單元獨立進行強度折減計算，結合黏滯力強度參數對其變形值進行計算：

c=c'+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：ua-uw為加筋擋墻的法向荷載的剪切應力，kPa。對閘壩軟土地基的加筋擋墻面板進行雙強度折減計算：

(4)

不同有限元的變形沉降值計算采用4點加權有限差分方法進行求解：

(5)

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

2 實例分析

2.1 閘壩設計概況

文章以遼寧某閘壩工程為研究實例，閘壩工程總長度和高程分別為40m和15m，為對計算精度進行分析，布設5個變形監測斷面，閘壩軟土地基主要土層分布和力學參數，見表1。

2.2 變形計算值誤差分析

對閘壩軟土地基加筋擋墻的5個變形監測斷面土層進行了力學參數的測定，不同監測斷面土層力學參數測定結果，見表2。結合5個斷面力學參數設定結果，分別采用傳統單一折減和有限元折減方法對閘壩軟土地基加筋擋墻的變形值進行計算，結合5個變形監測斷面實測變形值對其計算誤差進行分析，不同方法加筋擋墻計算誤差分析結果，見表3。

表1 閘壩軟土地基主要土層分布和力學參數

表2 不同監測斷面土層力學參數測定結果

表3 不同方法加筋擋墻計算誤差分析結果

從該閘壩軟土地基的各土層力學參數測定結果可看出，各監測斷面的靜力荷載比主要和其土層承載能力有關，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定能力，從該參數的測定結果可看出，粉質砂土和素填土的抗滑穩定性較高，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摩擦角測定結果可看出，不同土層由于顆粒粗細使得其黏聚力和內摩擦角變化有所差異，其和土層的顆粒有較為直接的相關性。從不同方法加筋擋墻的計算誤差分析結果可看出，相比于單一折減方法，采用基于有限元強度折減方法后，其變形值計算誤差有明顯改善，相比于傳統方法，其各監測斷面的計算誤差平均降低約15%。

2.3 加筋擋墻變形特征分析

在有限強度折減方法分析的基礎上，對閘壩軟土地基加急擋墻的變形特征進行分析，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陡增變化，最大水平位移變形量達到30mm，而面板底部水平變形位移低于10mm，這主要是因為其底部受混凝土固化效應較為明顯，其位移變化主要為縱向變形，而水平變形位移相對較低。加筋擋墻面板受到上層土層壓力作用，發生不同程度的變形，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，其沉降變化規律較為相似，這主要因為加筋擋墻受軟土地基影響發生沉降變形，而加筋擋墻由于自身重力發生的沉降位移較小。

2.4 加筋擋墻變形影響因子分析

對不同靜力荷載作用下加筋擋墻變形影響因子進行探討，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果，見表2。

位移 沉降變化

沉降變化 位移變化

從分析結果可看出，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呈現顯著的線性變化特征。閘壩軟土地基的穩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生不均勻沉降變化。在閘壩軟土地基施工中應盡量對閘壩軟土地基的內摩擦角和黏聚力進行調整，降低其變形沉降，從而提高其軟土地基的抗滑穩定性。

3 結 語

1)相比于單一折減方法，采用基于有限元強度折減方法后，其變形值計算誤差有明顯改善，相比于傳統方法，其各監測斷面的計算誤差平均降低約15%。

2)隨著面板高度增加其位移變化呈現陡增變化，最大水平位移變形量達到30mm，而面板底部水平變形位移<10mm，這主要是因為其底部受混凝土固化效應較為明顯，其位移變化主要為縱向變形，而水平變形位移相對較低。加筋擋墻面板受到上層土層壓力作用，發生不同程度的變形，但整體由于加筋擋墻的固定作用影響，總體處于較為穩定的狀況。

3)在閘壩軟土地基施工中應盡量對閘壩軟土地基的內摩擦角和黏聚力進行調整，降低其變形沉降，從而提高其軟土地基的抗滑穩定性。