防洪防潮工程懸臂式擋墻土壓力數值研究

郭樹仰

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 福州 350000）

懸臂式擋墻憑借著厚度小、形式簡單的優勢在支擋工程中被廣泛應用。防洪防潮工程中，要求對懸臂式擋墻的土體壓力做出科學計算，防止擋墻在破壞后對交通造成阻礙。在擋墻結構設計中，優選材料與方法，做好模型槽的合理設計，完善施工監測方案，按照墻背土壓力分布規律做好主動土壓力分析。

1 懸臂式擋墻特點分析

一般情況下，懸臂式擋墻主要包含立壁和墻底板兩部分，整體呈現出倒“T”型結構。與其他擋墻結構相比，懸臂式擋墻結構質量比較輕，且擋墻結構更加穩定，其穩定程度和墻身自重、墻踵板具體位置的填土重力有關。與傳統的重力式擋墻結構相比，懸臂式擋墻的墻踵板更長，與地基緊密聯系，墻的重心更加傾向于填土一側，因此懸臂式擋墻抗滑能力很強，抗傾覆性能較好，墻體十分穩定。懸臂式擋墻的斷面小，墻面板不是很厚，對墻體施加土壓力的時候容易破壞擋墻，為避免墻身彎矩過大，墻面板高度應設置在5 m 左右。防洪防潮工程中，懸臂式擋墻會受墻高因素影響，可以在已有的擋墻中，在墻頂位置疊加懸臂式擋墻，將二者結合后，使高擋墻被劃分為2 個矮擋墻，從而達到抗滑移和抗傾覆的效果。在發揮組合式擋墻作用的同時，不宜在墻趾位置填土施工，如果缺乏墻前被動土壓力，這時懸臂式擋墻的抗滑能力較多。為了保證擋墻穩定，讓組合式的矮擋墻成為一個整體，建議在墻底板位置植入錨桿，憑借錨桿的抗滑能力，使墻體可以承受滑動力，讓擋墻時刻保持穩固，發揮其在防洪防潮工程中的作用[1]。

2 防洪防潮工程懸臂式擋墻結構設計

2.1 材料與方法

對模型槽進行規范化設計，確保底板、擋板以及墊層部位的規范性。比如底板設計時，應用厚度為2 cm 的A3 鋼板焊接成底板，尺寸為240 cm×130 cm×40 cm。對底板內部充實處理，應用砂體材料壓實底板，保證模型穩定。側向擋土板設計時，應用玻璃板與之相連，內部鏈接也用玻璃板，以此方便獲取參數資料。上部設計時設置反力裝置，為模型槽提供80 kN 豎向反力。

2.1.2 監測方案

對模型進行監測分析，記錄靜止土壓力分布規律和上覆荷載變化規律等數據，上覆荷載在6 kPa～24 kPa 范圍內，共有7 個等級，等級間相差3 kPa。監測實驗中應用電阻式土壓力盒，結合實驗實際情況監測壓力變化狀態，應用千分表觀察并測量懸臂式擋墻實際位移情況。應用AB 膠固定電阻式壓力盒與千分表，確保受力均勻，可鋪撒一層細砂，選用河沙為模型的填筑材料，內摩擦角為35°，密度為1800 kg·m-3，含水率3.4%，壓縮模量為27 MPa，懸臂式擋墻彈性模量為200GPa。

2.1.3 模型槽填筑與模型建立

在填筑懸臂式擋墻模型槽的時候，應重視質量問題，對模型槽分層處理，保證每層厚度在20 cm 左右，隨后填充，再用機器夯實，在距離擋墻20 cm 左右的位置采用人力夯實方法，填充完成后做好記錄工作。應用FLAC3D 軟件構建懸臂式擋墻模型，保證本研究的準確性，底部墊層厚度是1 m，兩側和底部經過高強度約束，使模型更加符合實際工作狀態。依靠模型對擋墻墻背土壓力影響因素做出細化研究，探究上覆荷載、混凝土強度等條件對土壓力分布的影響[2]。

實驗過程中，擋墻模型在確立時應綜合考慮墻高、墻厚、底板寬與底板厚幾個因素，根據以上因素選擇36 組樣本，其中28 組學習樣本和8 組檢驗樣本，應用FLAC3D 有限差分軟件隨機計算擋墻穩定性，見表1。

表1 擋墻設計斷面尺寸因素搜索范圍

應用8 組檢驗樣本對模型展開精度檢驗，見圖1，期望輸出為樣本計算安全系數，預測輸出為人工神經網絡預測值，經對比發現，二者數值接近，沒有明顯差異變化，說明預測值穩定。

教學過程由一個個教學環節組成，一個個教學環節好比是粒粒珍珠，而各環節間的過渡語則是串連珍珠之間的絲線，缺少這條線，再好的珍珠也成不了美麗的項鏈。因此我們要充分注意教學過程中過渡語的設計和運用。我在講《圓明園的毀滅》一課時，根據教材內容，在二、三段設計了這樣的過渡語：

圖1 模型預測結果示意圖

圖2 中，預測結果的最大絕對誤差為0.0053，最大相對誤差為0.39%，最終預測結果精度可滿足擋墻邊坡穩定需求。

圖2 模型預測輸出值誤差情況

2.2 懸臂式擋墻技術探索

經過實際工程研究發現，懸臂式擋墻容易受到墻高的限制，建議采用組合結構形式，即重力式擋墻與懸臂式擋墻疊加后，將高擋墻劃分為兩個矮擋墻，憑借墻底板長度優勢，發揮擋墻在抗滑移方面的應用優勢。上文提到了應用錨桿提高擋墻固定效果，但這種錨桿不是傳統意義的錨桿，以往的錨桿需要依靠土體、注漿體、錨桿間粘結力或抗拔力阻止土體發生滑移。在防洪防潮工程中用到的錨桿更像是地錨，憑借錨桿為擋墻提供的抗滑力，在滑動面中產生抗剪強度。滑動面指的是擋墻墻底板和下部墻頂填土線之間的接觸面，從嚴格意義上來講屬于潛在滑動面，由于其受力復雜，建議將地錨進行簡化設計，使其被簡化為抗滑樁受力模式。

3 防洪防潮工程懸臂式擋墻土壓力數值計算結果

3.1 墻背土壓力分布規律

經過監測分析發現，擋墻上部位移區間在-0.1 mm～0.15 mm 之間，擋墻的受力狀態為靜止土壓力，經過模擬研究，得出懸臂式擋墻的墻背土壓力分布情況，見圖3，前兩者壓力分布規律相同，K0理論計算卻不同，模型試驗應用機械碾壓夯實方法，碾壓效果中加入了附加應力，所以模擬數值會偏大。在擋墻1/8 高度處出現拐點，墻背土壓力會隨著高度的增加而降低。

圖3 懸臂式擋墻墻背土壓力分布情況

經研究得知，墻踵對懸臂式擋墻底部壓力分布情況有較大的影響，導致曲線中出現了拐點，在設計擋墻時應考慮墻踵作用，根據不同范圍的實際情況合理設計擋墻，采用分段式方法，在拐點兩側應用K0理論計算方法、模擬實驗完成懸臂式擋墻的模型建立。

3.2 墻背土壓力影響分析

3.2.1 上覆荷載

懸臂式擋墻墻背土壓力分布會在上覆荷載作用下呈“S”型，擋墻與墻踵在10 cm 向上的位置處出現峰值，這是因為墻背土壓力受附加荷載與填土自重應力的影響。懸臂式擋墻的高度在降低時，附加荷載對墻體的影響不斷減小，但是填土依然存在自重應力，對墻體產生的壓力不斷增大。通過數值模擬得知懸臂式擋墻墻背壓力經過上覆荷載作用后結果一致。

3.2.2 混凝土強度

分別選擇五種強度的混凝土，采用數值模擬的方法得出以下實驗結果，見圖4。懸臂式擋墻墻背土壓力規律沒有因為混凝土強度變化而出現較大改變，最大點位置與量值基本一致，而混凝土強度與懸臂式擋墻土壓力保持正比關系，混凝土強度增大時，土壓力也會增大，但幅值卻在縮小。K0理論計算后的數值和試驗數值間在20 cm 左右的壓力值處有交點，墻擋底部低于20 cm 的時候，K0理論值比試驗值小，超過20 cm 時理論值超過試驗值，這是因為懸臂式擋墻出現了一定程度的變形與外傾現象，導致墻土壓力改變，從被動土壓力轉為主動土壓力，所以數值會減小。

圖4 不同強度混凝土墻背土壓力分布情況

3.2.3 擋墻寬高比

除了上覆荷載和混凝土強度這兩方面影響因素，擋墻寬高比也會對墻體壓力分布產生影響。選取不同擋墻寬高比展開研究，得知擋墻寬高比對懸臂式擋墻上部30 cm 范圍內的土壓力影響較大。擋墻寬高比不斷增加，墻背土壓力也在不斷增大。不僅如此，擋墻寬高比對擋墻上部土壓力更大，對下部土壓力影響比較小[3]。

3.3 懸臂式擋土墻主動土壓力分析

3.3.1 靜荷載作用下的計算方法

對分級墻背條件下的擋墻土壓力進行計算分析。首先，上墻土壓力計算，采用庫侖土壓力理論完成墻背土壓力計算與分析，如果墻背粗糙度較大，可能會出現兩種情況，一種是墻背比較陡，但是傾角很小，那么假設就會成立；另一種情況及時墻背比較緩，但傾角很大，這時墻后土體如果受到破壞，滑動土楔可能不會按照原本方向滑動，導致第二破裂面發生。下面公式為作用在擋墻第2 滑裂面上的土壓力情況：

式中：α 和θ 分別是第1 滑裂面與第2 滑裂面同豎直面之間的夾角；q 指的是擋墻墻踵和立板頂之間的連線夾角。如果此時懸臂式擋墻的填土使用的是無粘性土；γ 為容重；Φ 為內摩擦角；δ 為懸臂式擋墻墻背和填土的摩擦角；Ka為懸臂式擋墻的主動土壓力系數。

其次，計算懸臂式擋墻的下墻土壓力情況，由于目前防洪防潮工程中多采用二級懸臂式擋墻結構，其中包含2 個單級懸臂式擋墻組合而成的支護結構。分析下部分墻體對整個墻體的影響，探究是否會出現第2 破裂面，將作用在下墻部位的上墻自重和填土荷載轉化為均布荷載進行計算，使懸臂式擋墻下墻土壓力結果更加精準。假設墻高度為H，那么第2 破裂面上土壓力的計算采用以下公式：

式中：Ka為擋墻主動土的壓力系數；γ 為填土容重結果；h 為換算土柱。

3.3.2 振動作用下的動土壓力計算方法

防洪防潮工程中，擋墻需要在振動作用下使用，其動態壓力計算比較復雜，計算結果不僅與振動強度有關，也與墻后填土、擋墻振動特性保持聯系。采用擬靜力法，在靜土壓力庫倫理論應用下，分析水平方向與豎向方向振動對墻體的影響，對擋墻邊界參數做出調整，具體公式如下：

將新的參數用于主動土壓力計算公式中，整理之后得出振動條件下懸臂式擋墻主動土的壓力計算結果：

根據上述研究得出監測結果，在懸臂式擋墻中，高度對墻背土壓力影響是最大的，1/8 高度范圍內墻背土壓力分布規律有序，在墻踵位置，墻背土壓力減小。在上覆荷載中，上覆荷載和土壓力的規律呈現出“S”形狀，此時墻背土壓力同時受填土自重應力與附加荷載影響。混凝土強度方面，墻背土壓力會因為混凝土強度加強而增大，但是壓力變化幅值卻呈現出逐漸變小的發展趨勢。對土壓力進行計算時，還應從靜荷載作用和振動作用兩方面考慮，充分了解防洪防潮工程中懸臂式擋墻的結構優化設計方法。

4 結語

總而言之，針對防洪防潮工程實際情況設計模型試驗，經過數值模擬對模型的合理性做出驗證，探究上覆荷載、混凝土強度以及擋墻寬高比對擋墻土壓力的影響，為后續擋墻優化設計提供參考依據。