公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可視化編程

1、公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可視化編程摘要本文介紹了加筋土擋墻的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及用Visual Basic編程的特點(diǎn)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(jìn)行公路加筋土擋墻結(jié)構(gòu)可視化編程的全過(guò)程。關(guān)鍵詞 加筋土；擋土墻；Visual Basic；可視化；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(guó)工程師亨利·達(dá)維爾于1963年提出的1。近年來(lái)，加筋土工程運(yùn)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(jì)時(shí)需要考慮許多因素且計(jì)算繁瑣，因此不利于技術(shù)的推廣和方案的優(yōu)選。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助，用機(jī)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(diǎn)后，選擇了Visual Basic作為此次設(shè)計(jì)的編程軟件。2.程序分析和概要設(shè)計(jì)2.1程序結(jié)構(gòu)初步構(gòu)想加筋土擋墻的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)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。基本參數(shù)輸入模塊中，要求用戶(hù)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(hù)輸

4、入的參數(shù)先進(jìn)行試算，再由用戶(hù)輸入筋帶初擬長(zhǎng)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(mǎn)足要求，自動(dòng)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伤膹埍恚謩e是：拉力計(jì)算表、筋帶截面計(jì)算表、抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)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(yàn)算子模塊、基底滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算子模塊、基底傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算子模塊以及整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算子模塊。當(dāng)不符合要求時(shí)，程序?qū)⒒氐交緟?shù)輸入模塊中，由用戶(hù)調(diào)整參數(shù)后再重新進(jìn)行內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗(yàn)算，直到驗(yàn)算結(jié)果滿(mǎn)足為止。整個(gè)程序的思路是：打開(kāi)程序用戶(hù)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(jì)原則使用Visual Basic可以快速設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的Windows軟件，但是要?jiǎng)?chuàng)建真正易用的圖形界面，需要在程序界面設(shè)計(jì)上下些功夫3。1.窗體設(shè)計(jì)窗體設(shè)計(jì)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(jì)問(wèn)題。 本次設(shè)計(jì)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(gè)主文檔窗體（MDI主窗體），它的窗體區(qū)域不能放置除菜單類(lèi)組件以外的任何控件4，但可以擁有多個(gè)子窗體（MDI子窗體）。充分使用好MDI界面會(huì)使用戶(hù)覺(jué)得窗口控制更加簡(jiǎn)單?？丶谴绑w最主要的組成部份，其排列

6、形式會(huì)對(duì)用戶(hù)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(jué)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?lái)幫助合理編寫(xiě)各控件之間的關(guān)系。2.菜單設(shè)計(jì)菜單是界面設(shè)計(jì)中的重要組成部份，“簡(jiǎn)單、直觀、一致、有效”是菜單設(shè)計(jì)的原則。 下面的建議可能對(duì)創(chuàng)建滿(mǎn)足用戶(hù)期望的菜單有所幫助。 （1）按照邏輯功能將菜單項(xiàng)分組，并且在下拉菜單中用分隔線(xiàn)將功能更相關(guān)的項(xiàng)目分組排列。 （2）在同一菜單中避免使用多個(gè)相同功能的菜單項(xiàng)，否則會(huì)使用戶(hù)產(chǎn)生疑惑。 避免使用沒(méi)有下拉項(xiàng)的菜單項(xiàng)，因?yàn)楣铝⒌牟藛雾?xiàng)和按鈕沒(méi)什么區(qū)別。點(diǎn)擊這類(lèi)菜單項(xiàng)并直接產(chǎn)生某個(gè)動(dòng)作，通常會(huì)給用戶(hù)產(chǎn)生過(guò)于 “突然”

7、的感覺(jué)。本次設(shè)計(jì)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(jì)菜單： 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入、內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗(yàn)算。（3）視圖菜單：程序界面的更改。（4）結(jié)果查詢(xún)菜單：各生成表格的查詢(xún)（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(xì)設(shè)計(jì)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(lèi)：1.墻體參數(shù)：包括擋墻形式、全長(zhǎng)、分段長(zhǎng)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(lèi)型，墻背與土體摩擦力等。5.面板參數(shù)：包括形狀、尺寸、強(qiáng)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(jí)等。在該模塊中，允許用戶(hù)根據(jù)實(shí)際工程情況，選擇輸入各項(xiàng)信息。程序也會(huì)根據(jù)用戶(hù)對(duì)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(jiǎn)化用戶(hù)的判斷過(guò)程。當(dāng)用戶(hù)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(hù)進(jìn)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(jì)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(kù)倫理論為基礎(chǔ)的楔體平衡

9、法。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)按照公路加筋土工程設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算。1.荷載加筋土擋墻設(shè)計(jì)時(shí)所要計(jì)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(chē)輛荷載和車(chē)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(jì)算加筋體自重、填土重和車(chē)載，有時(shí)還包括地震力。（1）加筋體自重加筋體自重安填料容重計(jì)算。（2）加筋體上填土重在內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算中，若擋墻為路堤墻，則要將加筋體上填土重力及車(chē)載換算成等代土層后進(jìn)行計(jì)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(shí)，h1=Hm路堤邊坡率H加筋體高度H加筋體上路堤高度（3）車(chē)載車(chē)載的標(biāo)準(zhǔn)，按現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTJ021-89）6規(guī)定采用。設(shè)計(jì)橋涵或受車(chē)輛影響的構(gòu)造物所用的車(chē)輛荷載，分為計(jì)算荷載和驗(yàn)算荷載兩種。計(jì)算荷載以汽車(chē)車(chē)隊(duì)表示，驗(yàn)算荷載以履帶車(chē)、平板掛車(chē)表示。計(jì)算荷載的汽車(chē)車(chē)隊(duì)分汽車(chē)-10級(jí)、汽車(chē)-15級(jí)、汽車(chē)-20級(jí)和汽車(chē)-超20級(jí)四個(gè)等級(jí)。車(chē)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(zhǎng)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(shí)，路堤式擋土墻車(chē)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(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。小于6度的地區(qū)，除國(guó)家由特別規(guī)定的，不計(jì)算地震力。大于9度的地區(qū)，地震力應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)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(duì)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(diǎn)的距離，（m）Sx,Sy筋帶水平與垂直方向的計(jì)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(duì)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(chē)輛荷載對(duì)第i層筋帶產(chǎn)生的拉力當(dāng) loi>lci 時(shí) （5）當(dāng)loi<=lci 時(shí)，不考慮車(chē)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(dòng)區(qū)長(zhǎng)度，（m）lci第i層筋帶面板背面至均布土層擴(kuò)展線(xiàn)外的距離，（m）B路基寬度，（m）Bi均布土層擴(kuò)散至第i層筋帶處的分布寬度，（m）對(duì)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(yàn)算時(shí)，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(jì)斷面積 （10）其中Ai第i單元筋帶設(shè)計(jì)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(yàn)算每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)筋帶的抗拔能力時(shí)用該結(jié)點(diǎn)筋帶所具有的抗拔力（不計(jì)算車(chē)輛荷載）Si與它所受到的拔出力Ti之比值來(lái)反映。這個(gè)比值稱(chēng)為抗拔安全系數(shù)Kf，要求Kf>=Kf （11）0<hi<=H1時(shí) （12）H1<hi<=H時(shí) （13） （14）若驗(yàn)算結(jié)果是Kf<Kf,則可通過(guò)增加筋帶長(zhǎng)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(lái)改善。本程序按照規(guī)范所言，用Kf反代入公式，求得此時(shí)的筋帶斷面面積。加筋體計(jì)算單元受力如圖1所示：圖1 加筋體計(jì)算單元受力圖3.2.2運(yùn)行過(guò)程1.當(dāng)用戶(hù)選擇“擋墻設(shè)計(jì)”菜單中的“內(nèi)部穩(wěn)定性

14、驗(yàn)算”子菜單后，程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)行一系列的演算并直接生成拉力計(jì)算表和筋帶截面計(jì)算表。當(dāng)出錯(cuò)時(shí)（有可能之前的數(shù)據(jù)未輸入完整），程序會(huì)提示“數(shù)據(jù)未輸入完整或出錯(cuò)！”并結(jié)束本次操作。2.程序打開(kāi)“抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算表”這一窗體（如圖2所示），供用戶(hù)和計(jì)算機(jī)交互。圖2抗拔穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)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(zhǎng)、活動(dòng)區(qū)筋帶長(zhǎng)度、試算錨固區(qū)筋帶長(zhǎng)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(zhǎng)度、錨固區(qū)筋帶長(zhǎng)、筋帶總寬度和抗拔安全系數(shù)?？捎捎脩?hù)在筋帶總長(zhǎng)度字段中填入筋帶的初擬長(zhǎng)度，計(jì)算后可與右欄進(jìn)行對(duì)比。用戶(hù)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(xiàng)后，程序允許用戶(hù)在同一時(shí)間輸入初擬筋帶長(zhǎng)度相同的連續(xù)幾層的筋帶長(zhǎng)。當(dāng)輸入初擬長(zhǎng)度后，用戶(hù)可在表內(nèi)任意記錄處單擊，程序即會(huì)演算出各字段的數(shù)據(jù)，并填入表格。3.在該表計(jì)算的同時(shí)，“調(diào)整后的筋帶根數(shù)及Ks、Kf值”表亦生成。4.當(dāng)計(jì)算完所有層的筋帶根數(shù)、寬度等數(shù)據(jù)后，“擋墻設(shè)計(jì)”菜單中的“外部穩(wěn)定性驗(yàn)算”子菜單有效。用戶(hù)可進(jìn)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(gè)剛性的整體7，與重力式擋墻類(lèi)似，進(jìn)行以下各項(xiàng)驗(yàn)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(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算。以上各項(xiàng)安全系數(shù)都應(yīng)該達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。1.

16、基礎(chǔ)底面地基承載力計(jì)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?yàn)橥潦遣皇芾?，若壓?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(duì)加筋體墻趾的力矩，（kN.m）Mo傾覆力系對(duì)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(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于不等于0的土坡，為了得到滑面上的抗剪強(qiáng)度，由摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論知道，需要計(jì)算滑面上各點(diǎn)的法向應(yīng)力n。剛體極限平衡分析的條分法計(jì)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?；嫔细鼽c(diǎn)的法向應(yīng)力，采用條分法獲得。本次設(shè)計(jì)采用的是瑞典條分法。瑞典條分法假設(shè)滑動(dòng)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(zhǎng)（m）；Wi第i土條的重力（kN）；i第i土條的滑動(dòng)弧法線(xiàn)于垂直線(xiàn)的夾角；i第i土條

18、的滑動(dòng)面處內(nèi)摩擦角；R滑動(dòng)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(jì)規(guī)范（JTJ015-91）擬在某黃土地區(qū)二級(jí)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(zhǎng)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(jí)3 面板1.0m×0.8m十字形砼，板厚1.0mm，砼強(qiáng)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(jì)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(lèi)型為路堤式（2）選擇墻體截面為矩形（3）選擇地基土類(lèi)型為沙類(lèi)土、碎石類(lèi)土和軟、硬質(zhì)巖石（4）輸入其他信息（5）按下確定鍵用戶(hù)可以使用鼠標(biāo)點(diǎn)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(chē)后，“擋墻設(shè)計(jì)”菜單中的“內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算”子菜單有效，用戶(hù)可以進(jìn)行

20、內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算。2.內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算（1）選擇擋墻設(shè)計(jì)菜單下的內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算子菜單（2）程序打開(kāi)抗拔安全系數(shù)計(jì)算表。在該表的第一條記錄和第30條記錄的“筋帶總長(zhǎng)Li”字段處分別填上“9”，然后在任意記錄處點(diǎn)擊鼠標(biāo)。程序即進(jìn)行演算。3.外部穩(wěn)定性驗(yàn)算（1）選擇擋墻設(shè)計(jì)外部穩(wěn)定性驗(yàn)算地基承載力驗(yàn)算（2）選擇擋墻設(shè)計(jì)外部穩(wěn)定性驗(yàn)算基底滑移穩(wěn)定驗(yàn)算（3）選擇擋墻設(shè)計(jì)外部穩(wěn)定性驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算（4）選擇擋墻設(shè)計(jì)外部穩(wěn)定性驗(yàn)算整體滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算驗(yàn)算結(jié)果滿(mǎn)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(yàn)算滿(mǎn)足提示對(duì)話(huà)框外部穩(wěn)定性驗(yàn)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(hù)可以查看本次設(shè)計(jì)完成后的擋墻斷面圖。4.斷面圖點(diǎn)選“成圖”菜單中的“加筋土擋墻斷面圖”子菜單，用戶(hù)將看到本次設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果程序?qū)a(chǎn)生四張表，一個(gè)存檔文件，一個(gè)文本文件及一張圖。四張表分別為拉力計(jì)算表，筋帶斷面計(jì)算表，抗拔穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表，調(diào)整后的筋帶根數(shù)及Ks、Kf表，都是Access表格，用戶(hù)可使用Microsoft Access軟件對(duì)表格進(jìn)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(duì)程序的運(yùn)行過(guò)程能自主控制。能進(jìn)行加筋體擋墻的內(nèi)、外部穩(wěn)定性驗(yàn)算并給出最終結(jié)果。在編制完成后，通過(guò)兩個(gè)算例的測(cè)