基于有限强度的闸坝软土地基加筋挡墙变形值计算研究

赵 波

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，沈阳 110003)

0 前 言

闸坝工程设计需要对其软土地基进行加固处理，一般采用加筋挡墙进行闸坝软土地基的加固处理[1]。而加筋挡墙受到地基沉降影响容易产生变形，需要在工程实施过程中对其变形特征进行计算，从而设定加筋挡墙的相关设计指标[2]。当前，对于闸坝软土地基加筋挡墙变形值计算取得一定研究成果[3-9]，这些成果大都采用单一强度折减方式进行变形值的计算，而不能综合考虑加筋挡墙内摩擦和黏滞力对其变形值的影响，存在一定的局限[10]。近些年来，基于有限强度折减的方法，由于可综合考虑多要素多工程变形特征影响，在一些水利工程设计中得到应用[10-15]，应用效果均表明其变形值计算精度要好于传统的单一强度折减方法，但该方法在闸坝软土地基的加筋挡墙变形特征中应用还较少，为此文章结合有限强度方法，以辽宁某闸坝工程为具体实例，探讨该方法对闸坝软土地基加筋挡墙变形计算的适用性，研究成果对于闸坝软土地基加筋挡墙变形计算方法具有重要的参考价值。

1 计算原理

在加筋挡墙表层负荷保持稳定的基础上，对其面板的抗剪和承载能力进行综合对比，将加筋挡墙内部的摩擦系数以及黏滞力指标与强度折减系数进行相处得到不同强度参数的计算方程：

(1)

(2)

式中：C为黏滞力强度参数；SRF为有限强度折减参数；φ为的挡墙内部土层摩擦力强度参数。整个闸坝软土地基按照有限元方法划分成不同计算单元，各单元独立进行强度折减计算，结合黏滞力强度参数对其变形值进行计算：

c=c'+(ua-uw)tanφb

(3)

式中：ua-uw为加筋挡墙的法向荷载的剪切应力，kPa。对闸坝软土地基的加筋挡墙面板进行双强度折减计算：

(4)

不同有限元的变形沉降值计算采用4点加权有限差分方法进行求解：

(5)

式中：θ为差分求解系数，在0-1范围内取值；f为各有限计算单元的变形沉降值，mm。

2 实例分析

2.1 闸坝设计概况

文章以辽宁某闸坝工程为研究实例，闸坝工程总长度和高程分别为40m和15m，为对计算精度进行分析，布设5个变形监测断面，闸坝软土地基主要土层分布和力学参数，见表1。

2.2 变形计算值误差分析

对闸坝软土地基加筋挡墙的5个变形监测断面土层进行了力学参数的测定，不同监测断面土层力学参数测定结果，见表2。结合5个断面力学参数设定结果，分别采用传统单一折减和有限元折减方法对闸坝软土地基加筋挡墙的变形值进行计算，结合5个变形监测断面实测变形值对其计算误差进行分析，不同方法加筋挡墙计算误差分析结果，见表3。

表1 闸坝软土地基主要土层分布和力学参数

表2 不同监测断面土层力学参数测定结果

表3 不同方法加筋挡墙计算误差分析结果

从该闸坝软土地基的各土层力学参数测定结果可看出，各监测断面的静力荷载比主要和其土层承载能力有关，土层能力较大的其静力荷载比一般较大，杨氏模量主要表征土层的抗滑稳定能力，从该参数的测定结果可看出，粉质砂土和素填土的抗滑稳定性较高，因此其杨氏模量要大于砂壤土以及砂黏土的杨氏模量值。从各土层的黏聚力和内摩擦角测定结果可看出，不同土层由于颗粒粗细使得其黏聚力和内摩擦角变化有所差异，其和土层的颗粒有较为直接的相关性。从不同方法加筋挡墙的计算误差分析结果可看出，相比于单一折减方法，采用基于有限元强度折减方法后，其变形值计算误差有明显改善，相比于传统方法，其各监测断面的计算误差平均降低约15%。

2.3 加筋挡墙变形特征分析

在有限强度折减方法分析的基础上，对闸坝软土地基加急挡墙的变形特征进行分析，见图1。

从加筋挡墙面板位移变化可看出，随着面板高度增加其位移变化呈现陡增变化，最大水平位移变形量达到30mm，而面板底部水平变形位移低于10mm，这主要是因为其底部受混凝土固化效应较为明显，其位移变化主要为纵向变形，而水平变形位移相对较低。加筋挡墙面板受到上层土层压力作用，发生不同程度的变形，但整体由于加筋挡墙的固定作用影响，总体处于较为稳定的状况。从顶部和软土地基沉降变化可看出，其沉降变化规律较为相似，这主要因为加筋挡墙受软土地基影响发生沉降变形，而加筋挡墙由于自身重力发生的沉降位移较小。

2.4 加筋挡墙变形影响因子分析

对不同静力荷载作用下加筋挡墙变形影响因子进行探讨，主要分析其沉降和水平位移的影响，不同静力荷载作用下的加筋挡墙变形影响因子分析结果，见表2。

位移 沉降变化

沉降变化 位移变化

从分析结果可看出，加筋挡墙变形沉降随着杨氏模量的增加而逐步减小，水平位移随着杨氏模量的增加而逐步增加。加筋挡墙非均匀变形受杨氏模量影响较大，加筋挡墙的变形沉降在杨氏模量为6.0Mpa呈现显著的线性变化特征。闸坝软土地基的稳定性受加筋挡墙加固影响得到明显提升。软土地基底部压力由于加筋挡墙作用产生不均匀沉降变化。在闸坝软土地基施工中应尽量对闸坝软土地基的内摩擦角和黏聚力进行调整，降低其变形沉降，从而提高其软土地基的抗滑稳定性。

3 结 语

1)相比于单一折减方法，采用基于有限元强度折减方法后，其变形值计算误差有明显改善，相比于传统方法，其各监测断面的计算误差平均降低约15%。

2)随着面板高度增加其位移变化呈现陡增变化，最大水平位移变形量达到30mm，而面板底部水平变形位移<10mm，这主要是因为其底部受混凝土固化效应较为明显，其位移变化主要为纵向变形，而水平变形位移相对较低。加筋挡墙面板受到上层土层压力作用，发生不同程度的变形，但整体由于加筋挡墙的固定作用影响，总体处于较为稳定的状况。

3)在闸坝软土地基施工中应尽量对闸坝软土地基的内摩擦角和黏聚力进行调整，降低其变形沉降，从而提高其软土地基的抗滑稳定性。