加筋土挡土墙的计算机辅助设计软件开发

雍洪宝

(淮安市建筑工程检测中心有限公司，淮安 223001)

1 引言

随着计算机的普及和计算技术的发展，计算机辅助设计在工程设计中越来越广泛，也使得工程设计越来越高效。设计工程师也在不断努力地开发计算机辅助设计软件，以达到缩短设计周期、提高设计质量的目的。对于加筋土挡土墙，传统的以科学计算为目标的设计软件难以体现人机对话和结果的可视化要求。基于Windows操作系统和面向对象的可视化Visual basic 6．0开发技术，可以实现设计参数可视化，实现人机对话，界面友好，易于学习和操作。

加筋土挡土墙由墙面板、加筋带和填料三部分组成，具有形式多样、适用性强、成本低廉、造型美观等诸多优点，在公路、铁路、高铁、水利等行业都有应用，设计《标准》［1］的颁布也促进其在工程实际中推广和应用。但该结构设计时需考虑诸多因素，计算繁冗，需要频繁调整设计参数并进行反复计算，常用的应用程序［2-3］仅限于参数计算且难以充分考虑各种工程的实际情况，通用性差，操作复杂，难以普及。本文结合工程实践经验和研究成果［4］，开发了基于Visual basic 6．0的加筋土挡土墙计算机辅助设计软件，实现人机交互，过程生动直观，技术人员在界面的引导下可以畅通无阻地进行应用设计，且方便于设计方案的横向对比，有助于得到优化的设计结果。

2 加筋土挡土墙设计内容及设计方法

我国的加筋土技术研究和应用始于二十世纪七十年代，基本原理目前一般归纳为:(1)摩擦加筋原理;(2)准粘聚力原理(莫尔－库伦理论)。拉筋主要承受垂直荷载和水平拉力，并与填料产生摩擦力，拉筋一般为带状，国内目前常用塑料复合土工带(简称CAT土工带)、聚丙烯土工带(简称PP带)以及薄钢和钢筋混凝土带等。面板通常采用钢筋混凝土预制板，其形状有矩形、槽形、十字形、六角形、L形等。

加筋土挡土墙结构设计包括:内部稳定性分析和外部稳定性验算两大部分。内部稳定分析包括计算加筋带所承受的拉力、所需拉筋面积(根数)以及加筋带所需长度。计算原理是采用朗金土压力理论计算加筋带所承受的拉力，并根据静力平衡法计算其所需的面积和程度。外部稳定性验算是检验加筋土挡土墙整体对其后面土体的支撑能力，验算时将加筋体视为刚体，方法如同一般重力式挡土墙。内部稳定性分析采用应力分析法［1，5］，假设:(1)加筋体沿着拉筋最大拉力点的连线产生破坏，其墙面处的最大拉力为最大承载力的75%;(2)加筋体中的应力状态随深度逐步向主动土压力状态变动，深度6m以下便是主动土压力;(3)只有稳定区的拉筋与填土的相互作用才产生抗拔阻力。计算内容包括:(1)设计荷载;(2)加筋带的拉力计算;(3)加筋带的设计断面计算;(4)加筋带 的长度计算。外部稳定性验算按一般重力式挡土墙［1，5］，包括:(1)地基承载力及基底偏心距验算;(2)抗滑稳定性验算;(3)抗倾覆稳定性验算。

3 软件设计框图

基于上述设计方法及设计步骤，软件设计框图见图1。首先输入基本计算参数(包括设计资料输入和选择设计荷载)，参数或变量按界面要求和提示输入;接着调用内部稳定性分析模块和外部稳定性验算模块，确定拉筋特征参数及面板厚度，该部分为挡图墙计算的核心内容;最后输出设计结果。

图1 软件结构总体设计框图

4 程序功能及开发

4．1 内部稳定性分析

加筋土挡土墙内部稳定性分析模块包括:车辆荷载计算、加筋带的拉力计算、加筋带的断面积及长度计算。该模块组成见图2，LS表示顶层拉筋长度，LD表示底层拉筋长度，考虑到施工方便，CAT复合带等土工合成带宜取为偶数条。

4．2 外部稳定性验算

外部稳定性验算模块由车辆荷载等代土层厚度计算模块、加筋体自重计算模块、加筋体后朗金土压力计算模块、基底偏心距计算模块、加筋体基底压应力计算模块以及基底滑移稳定和绕墙址倾覆稳定验算模块组成，所有验算模块按《规范》［1］要求进行，图3，S1、S2分别为最大基底应力和最小基底应力，［S］为地基容许承载力。

4．3 运行环境及开发

采用WINDOWS操作环境，界面和图形采用Visual Basic 6．0开发，挡土墙内部稳定性分析及外部稳定性验算中的计算模块均采用FORTRAN 90进行编程［2-3］。技术人员可以在界面提示引导下输入参数和变量，顺利进行各项计算和设计，真正实现了人机交互。

4．4 应用说明

加筋土挡墙设计的主界面如图4，通过选择控制按钮可首先进入“设计资料输入”界面，按图5提示输入设计资料，完毕后进入“设计荷载选择”的图6界面，选择设计荷载。进行等代土层厚计算后，在“请选择计算荷载”对话框内将给出汽车荷载及挂车荷载的等代土层厚，根据设计要求选择计算荷载类型，也可以自行改动其数值，按“确定”输入，并“返回主软件”。通过主界面的“挡土墙计算”按钮运行计算软件。

图6 荷载输入界面

5 算例

拟建在某粘土地区高速公路的路堤式加筋土挡墙，挡土墙不受浸水影响，墙全长为45m，沉降缝间距15m，挡墙高度10m，顶部填土高度5m，边坡为1:1．5。公路一级荷载;预制C25混凝土矩形槽板面板;CAT钢塑复合筋带，带宽为30mm，厚2mm，设计拉应力 80Mpa，摩擦系数 fˊ =0．4;筋带结点水平间0．5m，竖直间0．5m;填料为砂性土，容重19KN/m3，内摩阻角35°;路堤填土和加筋体后的填料容重为20KN/m3，内摩阻角为30°，地基容许承载力500Kpa，加筋体与地基之间的摩擦系数 μ =0．4。

在界面引导下参数，图5，按图6界面格式输入设计荷载，返回主界面，点击“挡土墙设计结果”，呈现图7界面显示的计算结果。

图7 挡土墙计算结果输出界面

6 结束语

基于Windows操作系统和面向对象的可视化Visual basic 6．0开发技术，具有人性化界面，易于学习和操作。实现人机对话，过程生动直观，技术人员在界面的引导下，可以畅通无阻地进行应用设计，并有助于得到优化的设计结果，缩短设计周期的同时提高设计质量。

该软件运行稳定，能够满足各种条件下加筋土挡墙设计要求，适用于墙高不大于20m的工程情况，并可设计路肩墙和路堤墙两种型式。软件已通过相关部门的鉴定并投入使用。

［1］公路加筋土工程设计规范(JTJ015－91)［S］．北京:人民交通出版社，1991．

［2］廖正环，唐勇，凌天清等编著．公路工程实用电算［M］．北京:人民交通出版社，2000(6):152-159．

［3］东南大学交通运输工程系．计算机方法及其在道路工程中的应用［M］．南京:东南大学出版社，1992．

［4］孙文彬，朱军功．基于VB的重力式挡土墙的优化设计［J］．基建优化，2000(6):45-47．

［5］陈忠达编著．公路挡土墙设计［M］．北京:人民交通出版社，1999:125-170．

［6］何文俊．VISUAL BASIC 6．0编程实例精解［M］．北京:北京希望电子出版，1999．