潛沒(méi)式高趾墻土壓力計(jì)算方法范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了潛沒(méi)式高趾墻土壓力計(jì)算方法參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)》2014年第三期

1主動(dòng)土壓力計(jì)算

1．1計(jì)算公式圖1是土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖，其中滑楔體幾條關(guān)鍵線段的長(zhǎng)度計(jì)算公式如下，它們?cè)谧灾睾退畨毫Φ群奢d的計(jì)算中具有重要作用。容易驗(yàn)證，當(dāng)墻后土體傾斜表面作用均布荷載(設(shè)荷載集度為q)且方向豎直向下時(shí)，所求極值函數(shù)的駐值方程仍為式(9)，對(duì)臨界滑裂面的傾角沒(méi)有影響，因此對(duì)主動(dòng)土壓力系數(shù)也沒(méi)有影響，但土壓力計(jì)算公式中應(yīng)加入表面荷載的貢獻(xiàn)項(xiàng)，即式(15)就是現(xiàn)行規(guī)范中的計(jì)算思路［8］。當(dāng)表面荷載垂直于傾斜表面時(shí)，主動(dòng)土壓力的計(jì)算需考慮式(7)中的第二項(xiàng)(均布荷載)，甚至第三項(xiàng)(線性分布荷載)，與之相應(yīng)的極值函數(shù)顯然與式(9)有別，因此，主動(dòng)土壓力的計(jì)算不能套用現(xiàn)行規(guī)范中的計(jì)算方法。

1．2計(jì)算案例考慮圖1(a)所示的梯形高趾墻，墻體、水體以及堆石料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。圖2中繪制了根據(jù)式(7)計(jì)算的不同滑裂面傾角時(shí)的主動(dòng)土壓力，并從中分解出了由土體自重貢獻(xiàn)的分量。圖中還標(biāo)志了由式(12)給出的最大主動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的臨界滑裂面傾角，即α=65．5°。可以看出，考慮水壓力作用(蓄水期)時(shí)比不考慮水壓力作用(竣工期)時(shí)臨界滑裂面的傾角要大，且兩者之差隨著高趾墻潛沒(méi)深度的增加而增大。考察式(4)并結(jié)合圖2容易看出，當(dāng)α＞β+φ時(shí)(此例中為75°)，水壓力起到了增加主動(dòng)土壓力的作用，雖然此例中滑楔體自重對(duì)主動(dòng)土壓力的貢獻(xiàn)已隨著α的增加而減小，水壓力對(duì)主動(dòng)土壓力的貢獻(xiàn)卻隨著α的增加而增大，兩者疊加后，土壓力總量仍在某傾角α*時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)α＞α*并進(jìn)一步增加時(shí)，土壓力總量開(kāi)始下降，直到α=π/2+ε時(shí)降低至零。當(dāng)α＜β+φ時(shí)，水壓力的作用減小了主動(dòng)土壓力，以圖2(a)為例，竣工期α=65．5°時(shí)主動(dòng)土壓力約為2142．6kN，蓄水后該傾角對(duì)應(yīng)的土壓力降至701．5kN，當(dāng)趾墻潛沒(méi)深度增加時(shí)，該傾角對(duì)應(yīng)的主動(dòng)土壓力甚至降為負(fù)值。由此可見(jiàn)，以自重作用時(shí)的臨界滑裂面傾角計(jì)算主動(dòng)土壓力系數(shù)，并將水壓力作為表面荷載的經(jīng)驗(yàn)處理方法是不可靠的，潛沒(méi)式高趾墻的主動(dòng)土壓力應(yīng)通過(guò)變換滑裂面傾角試算確定。

2被動(dòng)土壓力計(jì)算

2．1計(jì)算公式被動(dòng)土壓力計(jì)算的滑楔體受力分析如圖1(c)所示，對(duì)比圖1(b)和1(c)可以看出，只需將主動(dòng)土壓力計(jì)算公式中的δ和φ分別用－δ和－φ代替即可得到被動(dòng)土壓力Ep的計(jì)算式。但對(duì)于潛沒(méi)式高趾墻，線性分布荷載垂直作用于傾斜表面，被動(dòng)土壓力計(jì)算的極值函數(shù)與式(19)不同，最大被動(dòng)土壓力所對(duì)應(yīng)的傾角與無(wú)表面荷載時(shí)必然是不同的。

2．2計(jì)算案例仍采用表1中所列的計(jì)算參數(shù)計(jì)算不考慮水壓力作用(竣工期)和考慮水壓力作用(蓄水期)時(shí)作用在梯形高趾墻上的被動(dòng)土壓力。需要注意的是，在計(jì)算被動(dòng)土壓力時(shí)應(yīng)檢驗(yàn)滑裂面與壩坡的交點(diǎn)是否位于水位以下，若該條件滿(mǎn)足，直接利用式(17)計(jì)算土壓力即可;若該條件不滿(mǎn)足，即滑楔體表面僅部分作用有水壓力，則應(yīng)直接根據(jù)水深計(jì)算出坡面水壓力并代入式(16)計(jì)算土壓力。圖3中繪制了不同潛沒(méi)深度時(shí)，被動(dòng)土壓力與滑裂面傾角的關(guān)系。僅考慮自重作用時(shí)，根據(jù)式(22)計(jì)算出的最小被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的臨界滑裂面傾角為α=40．3°，但考慮水壓力作用后，最小被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的滑裂面傾角明顯減小，且兩者之差隨著高趾墻潛沒(méi)深度的增加而增大。水壓力作用后各滑裂面對(duì)應(yīng)的被動(dòng)土壓力均有明顯增加，特別是當(dāng)高趾墻潛沒(méi)深度較大時(shí)。以圖3(d)為例，不存在水壓力時(shí)，被動(dòng)土壓力約為152173kN，但水壓力作用后最小被動(dòng)土壓力增加至496013kN，達(dá)到前者的3倍左右，且滑裂面傾角與壩坡傾角極為接近，意味著被動(dòng)滑楔體的范圍很大，欲以如此巨大的荷載推動(dòng)滑楔體向上滑動(dòng)，趾墻已發(fā)生相對(duì)大的位移，周邊縫附近的混凝土可能已被壓碎，墻與地基灌漿帷幕的連接也可能早已遭受破壞，這是不能容許的。因此，《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，趾墻穩(wěn)定計(jì)算不能考慮被動(dòng)土壓力狀態(tài)［1］。下一節(jié)將以此案例來(lái)說(shuō)明，目前的壩高條件下高趾墻出現(xiàn)被動(dòng)土壓力是不可能的。

3高趾墻的抗滑穩(wěn)定分析

無(wú)水壓作用時(shí)高趾墻的受力條件較為簡(jiǎn)單，一般只需用墻背主動(dòng)土壓力計(jì)算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)即可。但蓄水后，水壓力作用下墻后填土處于主動(dòng)還是被動(dòng)壓力狀態(tài)并不明了，需要通過(guò)水平水壓力和水平土壓力的大小對(duì)比來(lái)確定，如圖4所示:(1)當(dāng)水平水壓力位于A線以下，即低于主動(dòng)土壓力水平分量的最大值時(shí)，水壓力水平分量不足以平衡土壓力水平分量，需要高趾墻與基巖接觸面提供指向堆石體的水平摩擦力，這時(shí)應(yīng)采用主動(dòng)土壓力計(jì)算高趾墻離開(kāi)堆石體滑動(dòng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);(2)當(dāng)水平水壓力位于P線以上，即高于被動(dòng)土壓力水平分量的最小值時(shí)，土壓力水平分量不足以平衡水壓力水平分量，需要高趾墻與基巖接觸面提供背離堆石體的水平摩擦力，這時(shí)應(yīng)采用被動(dòng)土壓力計(jì)算高趾墻推動(dòng)堆石體滑動(dòng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);(3)當(dāng)水平水壓力位于A線和P線之間時(shí)，即使高趾墻與基巖接觸面不提供摩擦力，水壓力也足以平衡最大主動(dòng)土壓力水平分量，從而不出現(xiàn)離開(kāi)堆石體的滑動(dòng)破壞;最小被動(dòng)土壓力水平分量也足以平衡水壓力水平分量，從而不出現(xiàn)推動(dòng)堆石體的滑動(dòng)破壞。本文稱(chēng)這種情況為悖論區(qū)，在此條件下，無(wú)需驗(yàn)算高趾墻的抗滑穩(wěn)定。圖5繪制了本文實(shí)例在不同潛沒(méi)深度時(shí)的最大主動(dòng)土壓力水平分量、最小被動(dòng)土壓力水平分量以及水平水壓力(設(shè)迎水面垂直)，可見(jiàn)，該趾墻在0～300m可能的潛沒(méi)深度范圍內(nèi)，水平水壓力均高于主動(dòng)土壓力水平分量而低于被動(dòng)土壓力水平分量，即位于圖4中所謂的悖論區(qū)，故蓄水過(guò)程中和蓄水后抗滑穩(wěn)定始終是滿(mǎn)足的，因此，不必驗(yàn)算蓄水期高趾墻的抗滑穩(wěn)定。對(duì)于每一個(gè)具體工程，應(yīng)結(jié)合墻高、墻背傾角、壩坡傾角、填土強(qiáng)度等參數(shù)，采用本文計(jì)算方法，繪制圖5所示的水壓力和土壓力隨潛沒(méi)深度的變化曲線，從而判斷蓄水后高趾墻應(yīng)驗(yàn)算的滑動(dòng)模式。高趾墻穩(wěn)定分析的另一個(gè)重要方面是抗傾覆復(fù)核，這需要在判斷滑動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)力矩計(jì)算確定。但由于庫(kù)倫土壓力計(jì)算方法只采用了滑楔體的力平衡條件，故只能給出作用在墻背上總作用力的大小，而無(wú)法確定其作用點(diǎn)的位置。需要說(shuō)明的是，目前并無(wú)解析的方法可以給出潛沒(méi)式高趾墻土壓力作用點(diǎn)位置，一個(gè)可行的方法是根據(jù)三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定出土壓力作用點(diǎn)位置的范圍，以此為據(jù)變化土壓力作用點(diǎn)位置，驗(yàn)算高趾墻抗傾覆穩(wěn)定性。另一個(gè)可行方法是采用全面考慮力的平衡和力矩平衡的條分法，在極限平衡理論的框架下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法同時(shí)確定土壓力及其作用點(diǎn)位置。

4結(jié)語(yǔ)

本文給出了潛沒(méi)式高趾墻主動(dòng)和被動(dòng)土壓力及其臨界滑裂面傾角的計(jì)算公式，結(jié)合典型案例計(jì)算分析了水壓力作用對(duì)于土壓力和臨界滑裂面的影響，提出了高趾墻滑動(dòng)模式的判別方法，得出如下結(jié)論:(1)高趾墻面板堆石壩工程中，庫(kù)水壓力垂直于面板，從而改變了趾墻的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力極值函數(shù)形式，無(wú)水壓力作用和有水壓力作用條件下得到的最大主動(dòng)土壓力和最小被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的滑裂面傾角存在明顯差異，且該差異隨著高趾墻潛沒(méi)深度的增加而增加。(2)考慮水壓力作用后，趾墻的最大主動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的滑裂面傾角較不考慮水壓力作用時(shí)大;而最小被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的滑裂面傾角較不考慮水壓力作用時(shí)小。現(xiàn)有規(guī)范以不考慮外荷載時(shí)主動(dòng)或被動(dòng)土壓力系數(shù)乘以外荷載集度的方法考慮表面荷載對(duì)土壓力貢獻(xiàn)的計(jì)算方法對(duì)于潛沒(méi)式高趾墻是不合適的，潛沒(méi)式高趾墻的主動(dòng)和被動(dòng)土壓力均應(yīng)通過(guò)變換滑裂面傾角試算確定。(3)需要驗(yàn)算高趾墻抗滑穩(wěn)定的情形只有兩種，即水平水壓力低于主動(dòng)土壓力的水平分量和水平水壓力高于被動(dòng)土壓力的水平分量。當(dāng)水平水壓力處于兩者之間時(shí)，墻后土體既沒(méi)有發(fā)生主動(dòng)失穩(wěn)的條件，也無(wú)發(fā)生被動(dòng)失穩(wěn)的條件，此時(shí)無(wú)需驗(yàn)算高趾墻的抗滑穩(wěn)定性。(4)本文給出的案例證實(shí)，高趾墻在0～300m可能的潛沒(méi)深度范圍內(nèi)，水平水壓力均高于主動(dòng)土壓力水平分量而低于被動(dòng)土壓力水平分量。因此，對(duì)于一般的高趾墻面板堆石壩工程，趾墻抗滑穩(wěn)定分析的控制性工況是竣工未蓄水時(shí)，蓄水期的抗滑穩(wěn)定則無(wú)需再作驗(yàn)算。(5)高趾墻抗傾覆穩(wěn)定分析的結(jié)論很大程度上取決于土壓力作用點(diǎn)位置的確定，但基于庫(kù)倫理論的計(jì)算方法無(wú)法給出土壓力的作用位置。綜合運(yùn)用有限元計(jì)算結(jié)果或采用考慮力矩平衡的極限平衡法應(yīng)該是解決這一問(wèn)題的可行思路。

作者：傅中志王占軍陳生水單位：南京水利科學(xué)研究院水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室