拱坝软基混凝土置换后加固效果分析

若以新混凝土置换严重损伤的老混凝土，其加固作用机理，如同新浇混凝土通过基础垫座传给地基的应力分布状态一样，主要视其应力水平（大小）与方向的各向异性或同性以及均匀性。

为结合水工程来论述置换混凝土加固机理，特选择拱坝软基混凝土置换加固来说明。

为论述方便计，我们将拱坝坐落的岩体局部存在软弱夹层或破碎带的地基这一“软基”挖除或挖至一定深度，然后回填混凝土以形成较拱端宽的基础垫座，此施工称其为置换混凝土加固法。

根据原型观测与模型试验结果，使用混凝土置换不仅能提高地基软弱部位的弹性模量，而且使拱端推力通过基础垫层传递给地基的应力均匀，并且把应力水平降到很低，这已被拱坝设计前40年经验所证实。[1]

我国学者朱柏松等提出一种在变位一致的条件下，利用“当量弹模”配合有限元以多拱梁法作了拱坝应力分析，获得“混凝土置换后能提高基础的弹模和承载力”[2]同时为置换混凝土加固机理开拓了新的认识视野，即用“当量弹模”来反映置换混凝土垫层与岩基共同组成的联合基础，是置换法加固的先决条件和基本出发点，该机理已被20世纪90年代以来的贵州省赤水县香溪口水库拱坝、黎平县双江水库拱坝等置换混凝土工程进一步证实。

所谓“当量弹模”，指的是置换后的混凝土垫层与其下的基岩共同组成的“联合基础”视为“单一材料”组成的“基础”，此“基础的弹模”称之为“当量弹模”。一旦当量弹模给出，拱坝坝肩基础受到的作用力（N、V、T）及弯矩（Mrt、Mt）就可求解。

采用拱梁在地基上交于一点的布置，即梁站在拱上（图11.1）。

在此情况下，水平拱圈对基础的作用力有径向剪力Qra，切向轴力Hta和扭向弯矩Mzo梁作用在基础上的力有径向剪力Qrb，切向剪力Qtb，扭向弯矩Mrtb，弯向弯矩Mrb和垂直轴力Hzb（图11.2）。

拱梁共同作用于基础的力有径向剪力T：

式中　b——梁的计算宽度；

φ——岸坡角；

Qrb——其符号在计算左岸时取负“-”，计算右岸时取“+”，下同。(www.xing528.com)

图11.1　拱梁在地基上的交点

图11.2　梁底拱端的作用力

垂直于岸坡面的正压力N（图11.3）：

平行于岸坡面的剪力V（图11.3）：

扭向弯矩Mrt：

弯向弯矩Mt：

图11.3　作用于岸坡面的正压力N和剪力V

由此可见，在置换混凝土后如果仍采用岩基的弹模，或直接用混凝土本身的弹模是既不符合置换混凝土加固实际，又在把握全局的“概念加固”理念下，以“整体性理论”评判也是欠妥的。

理论分析与后续拱坝设计应用表明，“当量弹模（En）”随置换混凝土垫座尺寸的大小而变化。一般讲，其变化梯度在垫座厚度方向上变化较大；而在垫座宽度方向上变化较平缓。

另外，联合基础的当量弹模，对一定尺寸的置换混凝土垫座来说，并非是一个固定数值，它还随外荷载的增加而略有降低。

总之，置换混凝土加固法的机理，对拱坝而言，确能提高基岩软弱夹层或断层破碎带的承载力，从而对拱端处应力集中现象有所缓解。这是钢筋混凝土结构加固“整体性理论”的有效体现和合理应用的典型案例。