公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計可視化編程

1、公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計可視化編程摘要本文介紹了加筋土擋墻的結(jié)構(gòu)、特點及用Visual Basic編程的特點和原則。文章從基本思路、系統(tǒng)分析、程序構(gòu)建等方面逐步闡述了用VB進行公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)可視化編程的全過程。關(guān)鍵詞 加筋土；擋土墻；Visual Basic；可視化；計算機輔助設(shè)計AbstractThis paper introduces the structure and the feature of reinforced earth retaining walls. It also introduces the feature and the principle of the progr

2、amme of Visual Basic. It gradually expounds how to use Visual Basic to programme the construction of reinforced earth retaining walls by explaining basic idea, system analysis and construction of the programme.Key words: reinforced earth; retaining wall; Visual Basic; computer aided design 1.前言加筋土的概

3、念是法國工程師亨利·達維爾于1963年提出的1。近年來，加筋土工程運用廣泛，加筋土擋墻就是其中之一。但是由于加筋土擋墻在設(shè)計時需要考慮許多因素且計算繁瑣，因此不利于技術(shù)的推廣和方案的優(yōu)選。通過計算機輔助，用機算代替手算，能有效減輕工作量。因此，筆者選擇了這一課題，并在考慮和比較了各種軟件的特點后，選擇了Visual Basic作為此次設(shè)計的編程軟件。2.程序分析和概要設(shè)計2.1程序結(jié)構(gòu)初步構(gòu)想加筋土擋墻的設(shè)計主要分為三個模塊：基本參數(shù)輸入模塊、內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊以及外部穩(wěn)定性分析模塊?；緟?shù)輸入模塊中，要求用戶根據(jù)工程情況，選擇并輸入需要的數(shù)據(jù)。內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊中，程序根據(jù)用戶輸

4、入的參數(shù)先進行試算，再由用戶輸入筋帶初擬長度，與程序試算結(jié)果比較。最后由程序根據(jù)其抗拉、抗拔系數(shù)是否滿足要求，自動調(diào)整各層筋帶根數(shù)、筋帶截面尺寸。在內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊中，程序?qū)⑸伤膹埍?，分別是：拉力計算表、筋帶截面計算表、抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計算表和調(diào)整后的筋帶根數(shù)及Ks、Kf值表。外部穩(wěn)定性分析模塊包括有若干子模塊：地基承載力驗算子模塊、基底滑移穩(wěn)定性驗算子模塊、基底傾覆穩(wěn)定性驗算子模塊以及整體滑動穩(wěn)定性驗算子模塊。當(dāng)不符合要求時，程序?qū)⒒氐交緟?shù)輸入模塊中，由用戶調(diào)整參數(shù)后再重新進行內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗算，直到驗算結(jié)果滿足為止。整個程序的思路是：打開程序用戶輸入基本參數(shù)調(diào)用內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊和外

5、部穩(wěn)定性分析模塊確定拉筋特征參數(shù)輸出結(jié)果。2.2程序界面設(shè)計原則使用Visual Basic可以快速設(shè)計出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的Windows軟件，但是要創(chuàng)建真正易用的圖形界面，需要在程序界面設(shè)計上下些功夫3。1.窗體設(shè)計窗體設(shè)計的好壞往往影響到軟件的整體形象，因此必須首先處理好窗體的設(shè)計問題。 本次設(shè)計中采用了多文檔窗口界面。這種界面的好處在于能將窗口管理的復(fù)雜程度將至最低。在多文檔界面中，必須有且只有一個主文檔窗體（MDI主窗體），它的窗體區(qū)域不能放置除菜單類組件以外的任何控件4，但可以擁有多個子窗體（MDI子窗體）。充分使用好MDI界面會使用戶覺得窗口控制更加簡單?？丶谴绑w最主要的組成部份，其排列

6、形式會對用戶操作的直觀性和易用性產(chǎn)生重要影響。一般而言，按功能組織控件的位置在視覺效果上要比將它們分散在屏幕的各處要好得多?？梢允褂谩翱蚣堋笨丶韼椭侠砭帉懜骺丶g的關(guān)系。2.菜單設(shè)計菜單是界面設(shè)計中的重要組成部份，“簡單、直觀、一致、有效”是菜單設(shè)計的原則。 下面的建議可能對創(chuàng)建滿足用戶期望的菜單有所幫助。 （1）按照邏輯功能將菜單項分組，并且在下拉菜單中用分隔線將功能更相關(guān)的項目分組排列。 （2）在同一菜單中避免使用多個相同功能的菜單項，否則會使用戶產(chǎn)生疑惑。 避免使用沒有下拉項的菜單項，因為孤立的菜單項和按鈕沒什么區(qū)別。點擊這類菜單項并直接產(chǎn)生某個動作，通常會給用戶產(chǎn)生過于 “突然”

7、的感覺。本次設(shè)計中共有六組菜單，分別是：（1）工程菜單：完成基本的文件操作功能，包括：初始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、程序的退出。（2）擋墻設(shè)計菜單： 實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的輸入、內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗算。（3）視圖菜單：程序界面的更改。（4）結(jié)果查詢菜單：各生成表格的查詢（5）成圖菜單：加筋土擋墻的斷面圖（6）幫助菜單：顯示幫助信息3.程序詳細設(shè)計及編制3.1基本信息輸入模塊基本信息輸入模塊的的輸入信息包括7類：1.墻體參數(shù)：包括擋墻形式、全長、分段長度、高度、埋入地下深度、外形參數(shù)等。2.路基參數(shù)：包括路基寬度、路面寬度、路堤高度、邊坡率、墻背到坡角水平距離。3.填土參數(shù)：包括墻頂與墻后填土的。4.地基與填料參數(shù)：包括

8、地基與填料的容重、內(nèi)摩擦角和粘聚力，地基土類型，墻背與土體摩擦力等。5.面板參數(shù)：包括形狀、尺寸、強度。6.筋帶參數(shù)：包括材料、尺寸、似摩擦系數(shù)、層數(shù)等7.荷載與抗震參數(shù)：包括荷載組合、荷載標(biāo)準(zhǔn)、基本烈度、構(gòu)筑物抗震等級等。在該模塊中，允許用戶根據(jù)實際工程情況，選擇輸入各項信息。程序也會根據(jù)用戶對擋墻形式、擋墻截面形狀的選擇，控制某些參數(shù)為不可輸入?yún)?shù)，簡化用戶的判斷過程。當(dāng)用戶確認(rèn)已輸入全部所需信息后，程序使內(nèi)部穩(wěn)定性分析菜單有效，允許用戶進行下一步的操作。3.2內(nèi)部穩(wěn)定性分析模塊3.2.1設(shè)計理論加筋土擋墻內(nèi)部穩(wěn)定性分析一般有兩種，即以朗金理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析法和以庫倫理論為基礎(chǔ)的楔體平衡

9、法。本次畢業(yè)設(shè)計按照公路加筋土工程設(shè)計規(guī)范（JTJ 015-91）5規(guī)定，在內(nèi)部穩(wěn)定性分析中采用了應(yīng)力分析法進行計算。1.荷載加筋土擋墻設(shè)計時所要計算的荷載分為永久荷載、基本可變荷載以及偶然荷載。永久荷載包括加筋體自重、加筋體上填土重和土側(cè)壓力。若是浸水工程，那么還有水的浮力?？勺兒奢d包括車輛荷載和車載所引起的側(cè)壓力。偶然荷載即為地震力。在內(nèi)部穩(wěn)定性分析中，主要計算加筋體自重、填土重和車載，有時還包括地震力。（1）加筋體自重加筋體自重安填料容重計算。（2）加筋體上填土重在內(nèi)部穩(wěn)定性計算中，若擋墻為路堤墻，則要將加筋體上填土重力及車載換算成等代土層后進行計算5，否則，填土的等代土層厚度為零。填土

10、的換算公式如下： （1）其中h1加筋體上填土換算成等代均布土層厚度（m），h1>H時，h1=Hm路堤邊坡率H加筋體高度H加筋體上路堤高度（3）車載車載的標(biāo)準(zhǔn)，按現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTJ021-89）6規(guī)定采用。設(shè)計橋涵或受車輛影響的構(gòu)造物所用的車輛荷載，分為計算荷載和驗算荷載兩種。計算荷載以汽車車隊表示，驗算荷載以履帶車、平板掛車表示。計算荷載的汽車車隊分汽車-10級、汽車-15級、汽車-20級和汽車-超20級四個等級。車輛荷載換算成等代均布土層厚度h公式如下： （2） 其中B荷載布置長度（m）Lo荷載布置寬度（m）1加筋體填土容重（kN/m3）G布置在B×Lo面積內(nèi)

11、的輪載或履帶荷載壓力（kN）內(nèi)部穩(wěn)定性分析時，路堤式擋土墻車輛等代均布土層荷載布置范圍為路基寬度，路肩式為加筋體全寬。（4）地震力基本烈度為7、8、9度的地區(qū)的加筋土工程應(yīng)進行抗震設(shè)計。小于6度的地區(qū)，除國家由特別規(guī)定的，不計算地震力。大于9度的地區(qū)，地震力應(yīng)進行專門研究。內(nèi)部穩(wěn)定性分析中的地震力應(yīng)考慮加筋體及加筋體上填土土壓力的地震增量。2.筋帶拉力筋帶所受的拉力包括有（1）加筋體自重對第i層筋帶產(chǎn)生的拉力 （3）其中r1加筋體內(nèi)填料容重，（kN/m3）h1自加筋體頂面至第i結(jié)點的距離，（m）Sx,Sy筋帶水平與垂直方向的計算間距，（m）Ki第i層筋帶處的土壓力系數(shù)（2）加筋體上路堤填土對第

12、i層筋帶產(chǎn)生的拉力 （4）其中r2路堤填土容重，（kN/m3）（3）車輛荷載對第i層筋帶產(chǎn)生的拉力當(dāng) loi>lci 時 （5）當(dāng)loi<=lci 時，不考慮車輛荷載引起的附近拉力其中hc均布土層厚度，（m）loi第i層筋帶的活動區(qū)長度，（m）lci第i層筋帶面板背面至均布土層擴展線外的距離，（m）B路基寬度，（m）Bi均布土層擴散至第i層筋帶處的分布寬度，（m）對于路肩式擋土墻 （6）于是，第i 層筋帶所受拉力為 （7）當(dāng)需要抗震驗算時，加筋體深度zi處土壓力增量為 （8）筋帶拉力為 （9）3.筋帶設(shè)計斷面積 （10）其中Ai第i單元筋帶設(shè)計斷面積（mm）2L拉力容許應(yīng)力（MPa

13、）K筋帶容許應(yīng)力提高系數(shù)4.抗拔安全系數(shù)Kf驗算每個單元結(jié)點筋帶的抗拔能力時用該結(jié)點筋帶所具有的抗拔力（不計算車輛荷載）Si與它所受到的拔出力Ti之比值來反映。這個比值稱為抗拔安全系數(shù)Kf，要求Kf>=Kf （11）0<hi<=H1時 （12）H1<hi<=H時 （13） （14）若驗算結(jié)果是Kf<Kf,則可通過增加筋帶長度，或增加筋帶數(shù)量，或改用內(nèi)摩擦角較大的材料等措施來改善。本程序按照規(guī)范所言，用Kf反代入公式，求得此時的筋帶斷面面積。加筋體計算單元受力如圖1所示：圖1 加筋體計算單元受力圖3.2.2運行過程1.當(dāng)用戶選擇“擋墻設(shè)計”菜單中的“內(nèi)部穩(wěn)定性

14、驗算”子菜單后，程序?qū)⒆詣舆M行一系列的演算并直接生成拉力計算表和筋帶截面計算表。當(dāng)出錯時（有可能之前的數(shù)據(jù)未輸入完整），程序會提示“數(shù)據(jù)未輸入完整或出錯！”并結(jié)束本次操作。2.程序打開“抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計算表”這一窗體（如圖2所示），供用戶和計算機交互。圖2抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計算表這張表分為左右兩欄。右欄中是程序試算的結(jié)果，羅列了各層的深度、筋帶拉力、試算筋帶總長、活動區(qū)筋帶長度、試算錨固區(qū)筋帶長度、筋帶總寬度和抗拔安全系數(shù)等。左欄中各列分別為：筋帶總長度、錨固區(qū)筋帶長、筋帶總寬度和抗拔安全系數(shù)。可由用戶在筋帶總長度字段中填入筋帶的初擬長度，計算后可與右欄進行對比。用戶可選擇連續(xù)輸入或者逐層輸入。當(dāng)

15、勾選了右下角連續(xù)輸入的選項后，程序允許用戶在同一時間輸入初擬筋帶長度相同的連續(xù)幾層的筋帶長。當(dāng)輸入初擬長度后，用戶可在表內(nèi)任意記錄處單擊，程序即會演算出各字段的數(shù)據(jù)，并填入表格。3.在該表計算的同時，“調(diào)整后的筋帶根數(shù)及Ks、Kf值”表亦生成。4.當(dāng)計算完所有層的筋帶根數(shù)、寬度等數(shù)據(jù)后，“擋墻設(shè)計”菜單中的“外部穩(wěn)定性驗算”子菜單有效。用戶可進行下步操作。3.3外部穩(wěn)定性分析模塊外部穩(wěn)定性分析中將加筋材范圍內(nèi)的土體連同墻面板視為一個剛性的整體7，與重力式擋墻類似，進行以下各項驗算：基礎(chǔ)底面地基承載力；基底抗滑移穩(wěn)定性；抗傾覆穩(wěn)定性和整體滑動穩(wěn)定性驗算。以上各項安全系數(shù)都應(yīng)該達到規(guī)定的數(shù)值。1.

16、基礎(chǔ)底面地基承載力計算公式如下： （15） （16）其中max基礎(chǔ)底面地基最大壓應(yīng)力，（kPa）min基礎(chǔ)底面地基最小壓應(yīng)力,（kPa）N作用在基底的垂直合力（kN）L加筋體底面寬度（kN.m）M作用在基底的彎距（kN.M）修正后地基土的容許承載力（kPa）之所以要考慮基礎(chǔ)底面最小壓應(yīng)力大于零，是因為土是不受拉的，若壓應(yīng)力為負(fù)，則土體受拉，這種情況是不被允許的。2.基底抗滑移穩(wěn)定系數(shù)Kc （17）其中N豎向力總和，（kN）T水平力總和,（kN）基底摩擦系數(shù)3.抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Ko （18）其中My穩(wěn)定力系對加筋體墻趾的力矩，（kN.m）Mo傾覆力系對加筋體墻趾的力矩，（kN.m）4.整體抗滑穩(wěn)

17、定系數(shù)Ks整體穩(wěn)定性用條分法進行驗算。對于不等于0的土坡，為了得到滑面上的抗剪強度，由摩爾庫倫強度理論知道，需要計算滑面上各點的法向應(yīng)力n。剛體極限平衡分析的條分法計算思路是：假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形的剛體，滑面為不連續(xù)面。滑面上各點的法向應(yīng)力，采用條分法獲得。本次設(shè)計采用的是瑞典條分法。瑞典條分法假設(shè)滑動面為圓弧面，不考慮條間力的作用。任一土條上的作用力由土條自重Wiribihi；滑面上的抗剪力Ti和法向力Ni組成。瑞典條分法公式如下： （19）其中Ci第i土條的粘聚力（kPa）；Xi第i土條的弧長（m）；Wi第i土條的重力（kN）；i第i土條的滑動弧法線于垂直線的夾角；i第i土條

18、的滑動面處內(nèi)摩擦角；R滑動圓弧半徑（m）；Ehs滑體地震力（kN）；HwEhs的力臂（m）。4.算例4.1算例基本情況算例出處：公路加筋土工程設(shè)計規(guī)范（JTJ015-91）擬在某黃土地區(qū)二級公路上修建一座路堤式加筋土擋墻。擋墻不受浸水影響。擋墻全長60m，承降縫間距離20m，擋墻高12m，頂部填土0.6m。1 路基寬12m，路面寬9m2 荷載標(biāo)準(zhǔn)汽-20級3 面板1.0m×0.8m十字形砼，板厚1.0mm，砼強度C204 筋帶為聚丙烯土工帶，寬18mm，厚1.0mm，容許拉應(yīng)力50MPa5 筋帶解得水平間距0.42m，垂直間距0.4m6 填料為黃土，容重20kN/m3,內(nèi)摩擦角25度

19、，粘聚力50kPa，計算內(nèi)摩擦角30度7 地基為老黃土，容重22kN/m3，內(nèi)摩擦角30度，粘聚力55kPa，容許承載力500kPa8 墻體矩形斷面，加筋體寬9m9 墻頂填土材料與加筋土填料相同10 荷載組合I4.2程序操作步驟1.基本信息的輸入（1）選擇擋墻類型為路堤式（2）選擇墻體截面為矩形（3）選擇地基土類型為沙類土、碎石類土和軟、硬質(zhì)巖石（4）輸入其他信息（5）按下確定鍵用戶可以使用鼠標(biāo)點選輸入或按“Tab”鍵定位。若按下“取消”按鈕，則退出本次信息輸入。按“Esc”鍵的功效等同于“取消”按鈕。按下“確定”按鈕或直接回車后，“擋墻設(shè)計”菜單中的“內(nèi)部穩(wěn)定性驗算”子菜單有效，用戶可以進行

20、內(nèi)部穩(wěn)定性驗算。2.內(nèi)部穩(wěn)定性驗算（1）選擇擋墻設(shè)計菜單下的內(nèi)部穩(wěn)定性驗算子菜單（2）程序打開抗拔安全系數(shù)計算表。在該表的第一條記錄和第30條記錄的“筋帶總長Li”字段處分別填上“9”，然后在任意記錄處點擊鼠標(biāo)。程序即進行演算。3.外部穩(wěn)定性驗算（1）選擇擋墻設(shè)計外部穩(wěn)定性驗算地基承載力驗算（2）選擇擋墻設(shè)計外部穩(wěn)定性驗算基底滑移穩(wěn)定驗算（3）選擇擋墻設(shè)計外部穩(wěn)定性驗算抗傾覆穩(wěn)定驗算（4）選擇擋墻設(shè)計外部穩(wěn)定性驗算整體滑動穩(wěn)定驗算驗算結(jié)果滿足要求，程序給予提示提示如圖3（A-D）所示： A B C D圖3驗算滿足提示對話框外部穩(wěn)定性驗算完成后，“成圖”菜單中的“加筋土擋墻斷面圖”子菜單有效，用

21、戶可以查看本次設(shè)計完成后的擋墻斷面圖。4.斷面圖點選“成圖”菜單中的“加筋土擋墻斷面圖”子菜單，用戶將看到本次設(shè)計所產(chǎn)生的擋墻斷面圖形式。本例中，擋墻是矩形斷面。如圖4所示。 圖4 擋墻斷面圖5.設(shè)計結(jié)果程序?qū)a(chǎn)生四張表，一個存檔文件，一個文本文件及一張圖。四張表分別為拉力計算表，筋帶斷面計算表，抗拔穩(wěn)定系數(shù)計算表，調(diào)整后的筋帶根數(shù)及Ks、Kf表，都是Access表格，用戶可使用Microsoft Access軟件對表格進行打印。存檔文件后綴為Sa1，文本文件記錄了工程的基本信息，兩者都在存檔文件夾下。圖即為如圖4所示的斷面圖。5.結(jié)論該軟件界面友好，對程序的運行過程能自主控制。能進行加筋體擋墻的內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗算并給出最終結(jié)果。在編制完成后，通過兩個算例的測