林漢雄

(廣州市黃埔區(qū)水務(wù)設(shè)施管理所，廣州 510000)

長(zhǎng)洲四號(hào)涌整治用地范圍以規(guī)劃河涌控制線為準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)狀河道堤岸情況進(jìn)行布置，規(guī)劃河涌岸線內(nèi)為河涌水域，寬17～25 m(局部節(jié)點(diǎn)處70～77 m)；岸線與控制線間為堤岸擋墻、堤頂路及綠化景觀建設(shè)用地，寬度為15 m。為節(jié)約工程投資，在保證河涌過(guò)流斷面滿(mǎn)足行洪要求的前提下，結(jié)合前期堤基和工程場(chǎng)地地質(zhì)條件勘探分析結(jié)果，對(duì)長(zhǎng)洲四號(hào)涌樁號(hào)K0+000～1+100段采用現(xiàn)狀舊堤加固利用方案。通過(guò)在舊堤腳拋石護(hù)腳壓重，結(jié)合部分堤岸段進(jìn)行補(bǔ)砌，適當(dāng)降低堤頂高程(相當(dāng)于減小堤頂荷載)、鋼筋砼護(hù)面、砌石外立面進(jìn)行勾縫處理等措施，提高和確保堤岸的安全性。經(jīng)驗(yàn)算，加固后堤岸可滿(mǎn)足安全要求[1]。

1 工程概況

長(zhǎng)洲四號(hào)涌是長(zhǎng)洲島較大的排澇河涌，涌?jī)啥伺c珠江連通，總流域面積F=1.3 km2，地勢(shì)總體上比較平坦，河流較平直，大體呈東西走向。地貌上屬于三角洲沖積平原。河涌階地和漫灘不發(fā)育，河床寬度13～20 m，水深一般0.5～3.0 m，岸坡高度2～3 m，岸坡比較平直，堤身?yè)鯄挾榷嘣?.8～5 m之間，漿砌毛石岸坡坡角達(dá)50°～80°，兩岸多為自然地形，填筑堤壩低矮，現(xiàn)有土堤堤身單薄。由于護(hù)岸結(jié)構(gòu)沒(méi)有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工過(guò)程，部分堤段砌石擋墻基礎(chǔ)未處理好就砌筑擋墻，逐年不斷加高，并在外表面塞砂漿而形成。受地質(zhì)條件差影響，大部分堤岸段淤泥層承載力及抗滑參數(shù)很低且厚度大，原砌石堤岸多次滑動(dòng)，相當(dāng)部分已出現(xiàn)多次滑塌現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)在滑移破壞的堤身上再加高、再滑塌的現(xiàn)象。由于堤身標(biāo)高參差不齊，防洪排澇能力不一，洪水易從較低的缺口處涌入，加之部分堤段堤身厚度小，為種植土加高而成，面臨洪潮高水位時(shí)，單薄的堤身存在被沖壞崩塌的隱患，安全穩(wěn)定性差。因此，四號(hào)涌堤岸在整體安全穩(wěn)定性方面存在隱患。如不整治，在行洪排澇沖刷及水位驟降條件下，容易再次滑塌。

長(zhǎng)洲四號(hào)涌整治岸線布置的原則為在不影響防洪排澇的前提下，現(xiàn)有河岸線能利用的盡量利用，因地制宜地進(jìn)行岸線布置，保持河道的自然彎曲，河道斷面及護(hù)坡寬度等盡量做到收放有致，使整治后的河涌能成為一條更自然、生態(tài)的水道。其中，樁號(hào)K0+000～1+100段舊堤岸利用段設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要為擋墻抗滑、抗傾、整體穩(wěn)定。

2 分析方法

分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的方法有多種(如擬靜力法、擬動(dòng)力法、水平切片法等)考慮地震期間作用在土體上的慣性力。地震力將被視為使用水平和垂直加速度系數(shù)的等效靜態(tài)力。使用水平和垂直加速度系數(shù)將ces地震視為等效靜力。采用擬靜力法中的MO法推導(dǎo)動(dòng)土壓力，動(dòng)態(tài)土壓力可通過(guò)以下方式獲得：

pAE=C(1±KV)KAE·γH(1±KV)KAE

=KA+ΔKdyn

(1)

Δpdyn=pAE-pA

(2)

式中：pAE為墻體上的地震主動(dòng)土壓力；C為常數(shù)；KV為豎向地震系數(shù)；KAE為動(dòng)態(tài)主動(dòng)土壓力系數(shù)；γ為土壤容重；H為墻體高度；KA為靜態(tài)主動(dòng)土壓力系數(shù)；ΔKdyn為增量動(dòng)態(tài)主動(dòng)土壓力系數(shù)；Δpdyn為增量動(dòng)態(tài)主動(dòng)土壓力；pA為墻壁上的靜態(tài)主動(dòng)土壓力。

Hazarika(2009)提出了一個(gè)新的公式，該公式考慮了回填土的漸進(jìn)破壞以及破壞面的形狀(彎曲下部和筆直上部的組合)。據(jù)觀察，MO方法低估了地震主動(dòng)土壓力，高估了破壞帶的范圍，特別是在強(qiáng)烈地震激勵(lì)下。擬靜力法不考慮時(shí)間效應(yīng)以及剪切波和一次波在土體中的傳播，該方法的這一缺點(diǎn)已在偽動(dòng)力法中得到解決并討論了擬動(dòng)力方法，并分析了擋土墻，考慮了時(shí)間效應(yīng)、剪切和一次波在土體中的傳播。結(jié)果表明，擬動(dòng)力法的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于擬靜力法。

為了了解加固土防滲墻的作用，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括全尺度結(jié)構(gòu)研究和縮尺模型研究。同時(shí)進(jìn)行了縮尺模型搖動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)(即剛度、長(zhǎng)度和垂直間距)影響土壓力和側(cè)向位移，土壓力和側(cè)向位移隨著加固層數(shù)量和長(zhǎng)度的增加而減小。并討論了加固類(lèi)型對(duì)機(jī)械穩(wěn)定擋土墻的影響，結(jié)果表明加固長(zhǎng)度和間距影響加固擋土墻的性能。若將輕質(zhì)可變形土工泡沫/EPS用于擋土墻，能有效降低擋土墻上的土壓力[2]。

加固土擋墻的數(shù)值分析比物理模型試驗(yàn)更經(jīng)濟(jì)。數(shù)值分析比傳統(tǒng)的極限平衡方法更為嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈儩M(mǎn)足力平衡條件、應(yīng)變協(xié)調(diào)條件和本構(gòu)材料定律。從數(shù)值研究中可以獲得定性和定量性能。一項(xiàng)旨在評(píng)估使用MO方法確定具有粒狀回填料的擋土墻上動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)側(cè)向土壓力的適當(dāng)性的調(diào)查結(jié)果，通過(guò)與使用FLAC進(jìn)行的分析的可用結(jié)果進(jìn)行比較，評(píng)估了使用DIANA獲得的結(jié)果的可靠性。使用FLAC對(duì)土工格室加固支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，土工格室長(zhǎng)度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)在減少變形方面表現(xiàn)良好。研究人員進(jìn)行了一系列縮尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以研究加固土擋墻對(duì)不同基底加速度的響應(yīng)。他們使用FLAC進(jìn)行參數(shù)數(shù)值研究，以評(píng)估基底加速度對(duì)加固土擋墻性能的影響。

由于人們對(duì)加固土擋土墻表現(xiàn)出相當(dāng)大的興趣，加固層之間的正常間距，但對(duì)于鋼筋層間距較大的加固土擋土墻，沒(méi)有足夠的可用信息。為了更好地理解加固層間距較大的加固土擋墻，本文利用FLAC對(duì)加固土擋墻在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的土壓力和側(cè)向位移進(jìn)行了討論。在不同的現(xiàn)場(chǎng)條件和不同的荷載條件下進(jìn)行了一些數(shù)值模型試驗(yàn)。同時(shí)還進(jìn)行了參數(shù)研究，以了解土-墻系統(tǒng)的作用和力學(xué)結(jié)構(gòu)。

3 加固設(shè)計(jì)

利用FLAC建立一個(gè)二維有限差分?jǐn)?shù)值模型，利用彈塑性和Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)地基和回填土進(jìn)行模擬。墻體高度為5.00 m，寬度為0.30 m，單位長(zhǎng)度為平面應(yīng)變方向。擋土墻飾面假定由混凝土制成，建模為線彈性材料。回填土和地基土建模為干燥、無(wú)黏性的均質(zhì)材料，具有彈塑性響應(yīng)和莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。在整個(gè)擋土墻中，土層被認(rèn)為是均勻的，而地下水位被假定為大深度，因此地下水位對(duì)模型響應(yīng)沒(méi)有影響。零抗壓強(qiáng)度的元件。在每個(gè)加固土擋土墻(懸臂式擋土墻)模型中，鋼筋的長(zhǎng)度保持不變(2或4 m)。回填網(wǎng)格點(diǎn)和鋼筋節(jié)點(diǎn)之間不允許有相對(duì)移動(dòng)。土壤-鋼筋相互作用包含在模型中。在模型的底面，所有移動(dòng)均受到限制。每次設(shè)置新層時(shí)，都要檢查擋土墻的穩(wěn)定性，在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用靜力邊界條件來(lái)避免波浪反射，考慮阻尼比為5%，以3 Hz頻率的地基土為基礎(chǔ)，以正弦速度波(EQ3)的形式施加動(dòng)荷載以及0.2 g加速度振幅。該波作用在模型上的持續(xù)時(shí)間為2.0 s(6個(gè)周期)。分析中，用于動(dòng)態(tài)加載的速度波方程為：

Vx=V0cos(2πηt)

(3)

式中：V0為速度振幅，取0.01 m/s；V為時(shí)間(t)在X方向上的速度；η為頻率；t為時(shí)間。

擋土墻模型見(jiàn)圖1?；靥钔另敳看嬖? kPa的超載。為了驗(yàn)證靜態(tài)條件下的模型，使用經(jīng)典的Rakine土壓力理論計(jì)算墻壁上的土壓力，并將其與數(shù)值分析獲得的壓力進(jìn)行比較[3]。兩者之間存在良好的一致性，在達(dá)到靜態(tài)平衡后，對(duì)數(shù)值模型施加動(dòng)態(tài)載荷。為了在動(dòng)態(tài)條件下驗(yàn)證模型，通過(guò)數(shù)值分析和解析分析得到動(dòng)土壓力。采用pseu恒劑量法(方程式1)進(jìn)行分析，以獲得動(dòng)態(tài)土壓力。結(jié)果表明，兩者之間有良好的一致性。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1 土擋墻模型

4 結(jié)果和討論

為了評(píng)估加固層對(duì)擋土墻性能的影響，根據(jù)不同長(zhǎng)度，確定了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的土層厚度，見(jiàn)圖2。

圖2 土壓力加固(三層)擋土墻

由圖2可以獲得相對(duì)于標(biāo)高(從擋土墻底部)的土壓力?？梢钥闯觯o態(tài)土壓力小于動(dòng)態(tài)土壓力。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，加固土擋墻比未加固(常規(guī))土擋墻顯示出更小的土壓力。鋼筋長(zhǎng)度為2 m的加固土擋墻上的動(dòng)土壓力和靜土壓力小于傳統(tǒng)擋土墻上的動(dòng)土壓力和靜土壓力。但當(dāng)鋼筋長(zhǎng)度增加到4 m時(shí)，這兩種壓力(動(dòng)土壓力和靜土壓力)都大大降低。土壓力(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))隨加固層長(zhǎng)度的增加而減小。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，不同長(zhǎng)度(0、2和4 m)的加固土擋墻(3個(gè)加固層)的橫向位移見(jiàn)圖3。

圖3 橫向位移加筋(三層)擋土墻

可以觀察到，靜態(tài)條件下的側(cè)向位移小于動(dòng)態(tài)條件下的側(cè)向位移。與未加固(常規(guī))擋土墻相比，加固擋土墻的側(cè)向位移較小。隨著加固土擋墻加固層長(zhǎng)度的增加，側(cè)向位移減小。由圖2和圖3可知，側(cè)向位移的變化幾乎是線性的，但土壓力的變化是非線性的。增量動(dòng)土壓力可使用式(2)確定。一層和三層鋼筋標(biāo)高的增量動(dòng)土壓力曲線圖，見(jiàn)圖4和圖5，圖4和圖5分別顯示了不同長(zhǎng)度鋼筋(2和4 m)、無(wú)鋼筋及其分析值之間的比較。

圖4 一層加固土擋墻上的增量動(dòng)土壓力

圖5 三層加固土擋墻上的增量動(dòng)土壓力

由圖4和圖5可知，未加固和分析值的增量動(dòng)土壓力為線性，但加固為非線性。一層(長(zhǎng)度為2和4 m)的增量動(dòng)土壓力比三層表現(xiàn)出更多的非線性，三層加固擋墻的增量動(dòng)土壓力小于一層加固擋墻的增量動(dòng)土壓力[4]?？梢宰⒁獾?，增加的動(dòng)土壓力隨著加固層長(zhǎng)度的增加而減小。

5 參數(shù)研究

為了評(píng)估動(dòng)荷載持續(xù)時(shí)間對(duì)加固土擋墻性能的影響，對(duì)不同的持續(xù)時(shí)間(1.0，3.0和5.0 s)的動(dòng)態(tài)荷載進(jìn)行分析。在參數(shù)研究中使用了三層加固土擋墻。每個(gè)加固的長(zhǎng)度為2 m。加固土擋墻在不同持續(xù)時(shí)間(1.0，動(dòng)態(tài)荷載的3.0和5.0 s)見(jiàn)圖6。

圖6 不同時(shí)間間隔加固擋土墻上的動(dòng)土壓力

動(dòng)態(tài)土壓力隨動(dòng)態(tài)荷載持續(xù)時(shí)間的增加而增加?？梢宰⒁獾?，動(dòng)態(tài)土壓力的變化是非線性的。持續(xù)時(shí)間t=1.0 s和t=3.0 s之間以及持續(xù)時(shí)間t=3.0 s和t=5.0 s之間的動(dòng)土壓力變化是相同的。加固土擋墻在不同的動(dòng)荷載持續(xù)時(shí)間下的側(cè)向位移見(jiàn)圖7。

圖7 不同時(shí)間間隔加固土擋土墻的側(cè)向位移

可以觀察到，側(cè)向位移隨動(dòng)載荷持續(xù)時(shí)間的增加而增加。橫向位移的變化幾乎是線性的，并且在持續(xù)時(shí)間t=1.0 s和t=3.0 s之間的橫向位移變化大于在t=3.0 s和t=5.0 s之間的橫向位移變化。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文采用有限差分程序FLAC對(duì)加固土擋墻進(jìn)行了數(shù)值分析。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，觀察土壓力和側(cè)向位移(變形)，并對(duì)傳統(tǒng)(無(wú)筋)擋土墻和加固擋土墻進(jìn)行了比較。研究表明，加固擋土墻在較低的動(dòng)力條件下，能很好地降低土壓力和墻體側(cè)向位移。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，加固層數(shù)及其長(zhǎng)度對(duì)土壓力和側(cè)向位移有顯著影響，擋土墻的土壓力和側(cè)向位移隨加固層數(shù)的增加而減小。與未加固(傳統(tǒng))擋土墻相比，使用加固土顯著降低了增量動(dòng)土壓力。增加的動(dòng)土壓力隨著加固層數(shù)量和長(zhǎng)度的增加而減小。