公路加筋土挡墙结构设计可视化编程

公路加筋土挡墙结构设计可视化编程摘要本文介绍了加筋土挡墙的结构、特点及用Visual Basic编程的特点和原则。文章从基本思路、系统分析、程序构建等方面逐步阐述了用VB进行公路加筋土挡墙结构可视化编程的全过程。关键词 加筋土；挡土墙；Visual Basic；可视化；计算机辅助设计AbstractThis paper introduces the structure and the feature of reinforced earth retaining walls. It also introduces the feature and the principle of the programme 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.前言加筋土的概念是法国工程师亨利达维尔于1963年提出的1。近年来，加筋土工程运用广泛，加筋土挡墙就是其中之一。但是由于加筋土挡墙在设计时需要考虑许多因素且计算繁琐，因此不利于技术的推广和方案的优选。通过计算机辅助，用机算代替手算，能有效减轻工作量。因此，笔者选择了这一课题，并在考虑和比较了各种软件的特点后，选择了Visual Basic作为此次设计的编程软件。2.程序分析和概要设计2.1程序结构初步构想加筋土挡墙的设计主要分为三个模块：基本参数输入模块、内部稳定性分析模块以及外部稳定性分析模块。基本参数输入模块中，要求用户根据工程情况，选择并输入需要的数据。内部稳定性分析模块中，程序根据用户输入的参数先进行试算，再由用户输入筋带初拟长度，与程序试算结果比较。最后由程序根据其抗拉、抗拔系数是否满足要求，自动调整各层筋带根数、筋带截面尺寸。在内部稳定性分析模块中，程序将生成四张表，分别是：拉力计算表、筋带截面计算表、抗拔稳定性系数计算表和调整后的筋带根数及Ks、Kf值表。外部稳定性分析模块包括有若干子模块：地基承载力验算子模块、基底滑移稳定性验算子模块、基底倾覆稳定性验算子模块以及整体滑动稳定性验算子模块。当不符合要求时，程序将回到基本参数输入模块中，由用户调整参数后再重新进行内、外部稳定性验算，直到验算结果满足为止。整个程序的思路是：打开程序用户输入基本参数调用内部稳定性分析模块和外部稳定性分析模块确定拉筋特征参数输出结果。2.2程序界面设计原则使用Visual Basic可以快速设计出标准风格的Windows软件，但是要创建真正易用的图形界面，需要在程序界面设计上下些功夫3。1.窗体设计窗体设计的好坏往往影响到软件的整体形象，因此必须首先处理好窗体的设计问题。 本次设计中采用了多文档窗口界面。这种界面的好处在于能将窗口管理的复杂程度将至最低。在多文档界面中，必须有且只有一个主文档窗体（MDI主窗体），它的窗体区域不能放置除菜单类组件以外的任何控件4，但可以拥有多个子窗体（MDI子窗体）。充分使用好MDI界面会使用户觉得窗口控制更加简单。控件是窗体最主要的组成部份，其排列形式会对用户操作的直观性和易用性产生重要影响。一般而言，按功能组织控件的位置在视觉效果上要比将它们分散在屏幕的各处要好得多。可以使用“框架”控件来帮助合理编写各控件之间的关系。2.菜单设计菜单是界面设计中的重要组成部份，“简单、直观、一致、有效”是菜单设计的原则。 下面的建议可能对创建满足用户期望的菜单有所帮助。 （1）按照逻辑功能将菜单项分组，并且在下拉菜单中用分隔线将功能更相关的项目分组排列。 （2）在同一菜单中避免使用多个相同功能的菜单项，否则会使用户产生疑惑。 避免使用没有下拉项的菜单项，因为孤立的菜单项和按钮没什么区别。点击这类菜单项并直接产生某个动作，通常会给用户产生过于 “突然”的感觉。本次设计中共有六组菜单，分别是：（1）工程菜单：完成基本的文件操作功能，包括：初始数据的导入、程序的退出。（2）挡墙设计菜单： 实现设计参数的输入、内、外部稳定性验算。（3）视图菜单：程序界面的更改。（4）结果查询菜单：各生成表格的查询（5）成图菜单：加筋土挡墙的断面图（6）帮助菜单：显示帮助信息3.程序详细设计及编制3.1基本信息输入模块基本信息输入模块的的输入信息包括7类：1.墙体参数：包括挡墙形式、全长、分段长度、高度、埋入地下深度、外形参数等。2.路基参数：包括路基宽度、路面宽度、路堤高度、边坡率、墙背到坡角水平距离。3.填土参数：包括墙顶与墙后填土的。4.地基与填料参数：包括地基与填料的容重、内摩擦角和粘聚力，地基土类型，墙背与土体摩擦力等。5.面板参数：包括形状、尺寸、强度。6.筋带参数：包括材料、尺寸、似摩擦系数、层数等7.荷载与抗震参数：包括荷载组合、荷载标准、基本烈度、构筑物抗震等级等。在该模块中，允许用户根据实际工程情况，选择输入各项信息。程序也会根据用户对挡墙形式、挡墙截面形状的选择，控制某些参数为不可输入参数，简化用户的判断过程。当用户确认已输入全部所需信息后，程序使内部稳定性分析菜单有效，允许用户进行下一步的操作。3.2内部稳定性分析模块3.2.1设计理论加筋土挡墙内部稳定性分析一般有两种，即以朗金理论为基础的应力分析法和以库伦理论为基础的楔体平衡法。本次毕业设计按照公路加筋土工程设计规范（JTJ 015-91）5规定，在内部稳定性分析中采用了应力分析法进行计算。1.荷载加筋土挡墙设计时所要计算的荷载分为永久荷载、基本可变荷载以及偶然荷载。永久荷载包括加筋体自重、加筋体上填土重和土侧压力。若是浸水工程，那么还有水的浮力。可变荷载包括车辆荷载和车载所引起的侧压力。偶然荷载即为地震力。在内部稳定性分析中，主要计算加筋体自重、填土重和车载，有时还包括地震力。（1）加筋体自重加筋体自重安填料容重计算。（2）加筋体上填土重在内部稳定性计算中，若挡墙为路堤墙，则要将加筋体上填土重力及车载换算成等代土层后进行计算5，否则，填土的等代土层厚度为零。填土的换算公式如下： （1）其中h1加筋体上填土换算成等代均布土层厚度（m），h1H时，h1=Hm路堤边坡率H加筋体高度H加筋体上路堤高度（3）车载车载的标准，按现行的公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）6规定采用。设计桥涵或受车辆影响的构造物所用的车辆荷载，分为计算荷载和验算荷载两种。计算荷载以汽车车队表示，验算荷载以履带车、平板挂车表示。计算荷载的汽车车队分汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级和汽车-超20级四个等级。车辆荷载换算成等代均布土层厚度h公式如下： （2） 其中B荷载布置长度（m）Lo荷载布置宽度（m）1加筋体填土容重（kN/m3）G布置在BLo面积内的轮载或履带荷载压力（kN）内部稳定性分析时，路堤式挡土墙车辆等代均布土层荷载布置范围为路基宽度，路肩式为加筋体全宽。（4）地震力基本烈度为7、8、9度的地区的加筋土工程应进行抗震设计。小于6度的地区，除国家由特别规定的，不计算地震力。大于9度的地区，地震力应进行专门研究。内部稳定性分析中的地震力应考虑加筋体及加筋体上填土土压力的地震增量。2.筋带拉力筋带所受的拉力包括有（1）加筋体自重对第i层筋带产生的拉力 （3）其中r1加筋体内填料容重，（kN/m3）h1自加筋体顶面至第i结点的距离，（m）Sx,Sy筋带水平与垂直方向的计算间距，（m）Ki第i层筋带处的土压力系数（2）加筋体上路堤填土对第i层筋带产生的拉力 （4）其中r2路堤填土容重，（kN/m3）（3）车辆荷载对第i层筋带产生的拉力当 loilci 时 （5）当loi=Kf （11）0hi=H1时 （12）H1hi=H时 （13） （14）若验算结果是KfKf,则可通过增加筋带长度，或增加筋带数量，或改用内摩擦角较大的材料等措施来改善。本程序按照规范所言，用Kf反代入公式，求得此时的筋带断面面积。加筋体计算单元受力如图1所示：图1 加筋体计算单元受力图3.2.2运行过程1.当用户选择“挡墙设计”菜单中的“内部稳定性验算”子菜单后，程序将自动进行一系列的演算并直接生成拉力计算表和筋带截面计算表。当出错时（有可能之前的数据未输入完整），程序会提示“数据未输入完整或出错！”并结束本次操作。2.程序打开“抗拔稳定性系数计算表”这一窗体（如图2所示），供用户和计算机交互。图2抗拔稳定性系数计算表这张表分为左右两栏。右栏中是程序试算的结果，罗列了各层的深度、筋带拉力、试算筋带总长、活动区筋带长度、试算锚固区筋带长度、筋带总宽度和抗拔安全系数等。左栏中各列分别为：筋带总长度、锚固区筋带长、筋带总宽度和抗拔安全系数。可由用户在筋带总长度字段中填入筋带的初拟长度，计算后可与右栏进行对比。用户可选择连续输入或者逐层输入。当勾选了右下角连续输入的选项后，程序允许用户在同一时间输入初拟筋带长度相同的连续几层的筋带长。当输入初拟长度后，用户可在表内任意记录处单击，程序即会演算出各字段的数据，并填入表格。3.在该表计算的同时，“调整后的筋带根数及Ks、Kf值”表亦生成。4.当计算完所有层的筋带根数、宽度等数据后，“挡墙设计”菜单中的“外部稳定性验算”子菜单有效。用户可进行下步操作。3.3外部稳定性分析模块外部稳定性分析中将加筋材范围内的土体连同墙面板视为一个刚性的整体7，与重力式挡墙类似，进行以下各项验算：基础底面地基承载力；基底抗滑移稳定性；抗倾覆稳定性和整体滑动稳定性验算。以上各项安全系数都应该达到规定的数值。1.基础底面地基承载力计算公式如下： （15） （16）其中max基础底面地基最大压应力，（kPa）min基础底面地基最小压应力,（kPa）N作用在基底的垂直合力（kN）L加筋体底面宽度（kN.m）M作用在基底的弯距（kN.M）修正后地基土的容许承载力（kPa）之所以要考虑基础底面最小压应力大于零，是因为土是不受拉的，若压应力为负，则土体受拉，这种情况是不被允许的。2.基底抗滑移稳定系数Kc （17）其中N竖向力总和，（kN）T水平力总和,（kN）基底摩擦系数3.抗倾覆稳定性系数Ko （18）其中My稳定力系对加筋体墙趾的力矩，（kN.m）Mo倾覆力系对加筋体墙趾的力矩，（kN.m）4.整体抗滑稳定系数Ks整体稳定性用条分法进行验算。对于不等于0的土坡，为了得到滑面上的抗剪强度，由摩尔库伦强度理论知道，需要计算滑面上各点的法向应力n。刚体极限平衡分析的条分法计算思路是：假定滑坡体和滑面以下土体均为不变形的刚体，滑面为不连续面。滑面上各点的法向应力，采用条分法获得。本次设计采用的是瑞典条分法。瑞典条分法假设滑动面为圆弧面，不考虑条间力的作用。任一土条上的作用力由土条自重Wiribihi；滑面上的抗剪力Ti和法向力Ni组成。瑞典条分法公式如下： （19）其中Ci第i土条的粘聚力（kPa）；Xi第i土条的弧长（m）；Wi第i土条的重力（kN）；i第i土条的滑动弧法线于垂直线的夹角；i第i土条的滑动面处内摩擦角；R滑动圆弧半径（m）；Ehs滑体地震力（kN）；HwEhs的力臂（m）。4.算例4.1算例基本情况算例出处：公路加筋土工程设计规范（JTJ015-91）拟在某黄土地区二级公路上修建一座路堤式加筋土挡墙。挡墙不受浸水影响。挡墙全长60m，承降缝间距离20m，挡墙高12m，顶部填土0.6m。1 路基宽12m，路面宽9m2 荷载标准汽-20级3 面板1.0m0.8m十字形砼，板厚1.0mm，砼强度C204 筋带为聚丙烯土工带，宽18mm，厚1.0mm，容许拉应力50MPa5 筋带解得水平间距0.42m，垂直间距0.4m6 填料为黄土，容重20kN/m3,内摩擦角25度，粘聚力50kPa，计算内摩擦角30度7 地基为老黄土，容重22kN/m3，内摩擦角30度，粘聚力55kPa，容许承载力500kPa8 墙体矩形断面，加筋体宽9m9 墙顶填土材料与加筋土填料相同10 荷载组合I4.2程序操作步骤1.基本信息的输入（1）选择挡墙类型为路堤式（2）选择墙体截面为矩形（3）选择地基土类型为沙类土、碎石类土和软、硬质岩石（4）输入其他信息（5）按下确定键用户可以使用鼠标点选输入或按“Tab”键定位。若按下“取消”按钮，则退出本次信息输入。按“Esc”键的功效等同于“取消”按钮。按下“确定”按钮或直接回车后，“挡墙设计”菜单中的“内部稳定性验算”子菜单有效，用户可以进行内部稳定性验算。2.内部稳定性验算（1）选择挡墙设计菜单下的内部稳定性验算子菜单（2）程序打开抗拔安全系数计算表。在该表的第一条记录和第30条记录的“筋带总长Li”字段处分别填上“9”，然后在任意记录处点击鼠标。程序即进行演算。3.外部稳定性验算（1）选择挡墙设计外部稳定性验算地基承载力验算（2）选择挡墙设计外部稳定性验算基底滑移稳定验算（3）选择挡墙设计外部稳定性验算抗倾覆稳定验算（4）选择挡墙设计外部稳定性验算整体滑动稳定验算验算结果满足要求，程序给予提示提示如图3（A-D）所示： A B C D图3验算满足提示对话框外部稳定性验算完成后，“成图”菜单中的“加筋土挡墙断面图”子菜单有效，用户可以查看本次设计完成后的挡墙断面图。4.断面图点选“成图”菜单中的“加筋土挡墙断面图”子菜单，用户将看到本次设计所产生的挡墙断面图形式。本例中，挡墙是矩形断面。如图4所示。 图4 挡墙断面图5.设计结果程序将产生四张表，一个存档文件，一个文本文件及一张图。四张表分别为拉力计算表，筋带断面计算表，抗拔稳定系数计算表，调整后的筋带根数及Ks、Kf表，都是Access表格，用户可使用Microsoft Access软件对表格进行打印。存档文件后缀为Sa1，文本文件记录了工程的基本信息，两者都在存档文件夹下。图即为如图4所示的断面图。5.结论该软件界面友好，对程序的运行过程能自主控制。能进行加筋体挡墙的内、外部稳定性验算并给出最终结果。在编制完成后，通过两个算例的测试，发现其结果正确可靠，说明其具有一定的工程实际效用，能在一定程度上减轻设计人员的劳动强度。然而，程序在工程设计领域的应用尚显不足，诸如浸水加筋土等情况没有在本次设计中考虑，程序的进一步改进势在必行。在下一步的完善中，希望能进一步消除程序中存在的bug并加入高大加筋土挡墙和浸水加筋体挡墙的设计及在程序中实现由程序自主打印。另外，程序在windowsxp 和windows98，office2000和office97测试下通过，但尚未在window2000中进行测试。参考文献1 石名磊,邓学钧,饶建辉,于志淳. 加筋土挡墙在公路工程中应用研究J. 东南大学学报.1999，06：23-26.2 张文中. 加筋土挡墙施工J.公路.1995.02：27-283傲意软件工作室.我也会VB编程M.重庆：金版电子出版公司.2002.11:784宋伟,吴建国等.中文Visual Basic 6.0高级编程M. 北京:清华大学出版社.1999.7:58-79 5中华人民共和国交通行业标准.公路加筋土设计规范（JTJ015-91）S.北京：人民交通出版社.1992.2：6.6中华人民共和国行业标准. 公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）S.北京：人民交通出版社.1989.10.7 Jorge G Zornberg, Performance of geosynthetic reinforced slope at failure J,Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering,1998, Vol.124, No.8: 670-683.