閩東山區(qū)浸水擋墻的受力分析

(福州市公路局閩清分局，閩清350800)

閩東山區(qū)浸水擋墻的受力分析

■劉義河

(福州市公路局閩清分局，閩清350800)

本文采用GeoSt udi o有限元軟件，對(duì)閩東山區(qū)典型類型路基填土的浸水擋墻進(jìn)行受力分析，得出了水位變化時(shí)浸水擋墻的穩(wěn)定性和應(yīng)力場(chǎng)等變化規(guī)律：路基的穩(wěn)定性安全系數(shù)在水位下降時(shí)較小，其下降速率越大安全系數(shù)越小，且墻后填土的飽和滲透系數(shù)越大，路基穩(wěn)定系數(shù)越大；水位下降時(shí)路基土體各點(diǎn)的水平向和豎向有效應(yīng)力均明顯增加，擋墻的傾覆失穩(wěn)和墻底滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)也明顯增加，設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加大擋土墻基礎(chǔ)尺寸。

浸水擋墻水毀設(shè)計(jì)有限元分析

1 概述

閩東山區(qū)公路建設(shè)有眾多的浸水擋墻，其在洪災(zāi)以及庫(kù)水位變化等作用下經(jīng)常出現(xiàn)垮塌，路基側(cè)向滑移，引起公路交通中斷。僅“尼伯特”臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降雨就造成閩清縣66處公路擋墻垮塌，總長(zhǎng)1518m，其中沿河浸水擋墻占總數(shù)約30%。圖1為閩清前園線某浸水擋墻坍塌的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 閩清前園線某浸水擋墻坍塌

目前對(duì)于浸水路堤的穩(wěn)定性已有較多文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]，但較少有文獻(xiàn)關(guān)注浸水擋墻的破壞機(jī)理。本文針對(duì)閩東山區(qū)的典型路基填土——非飽和殘積土，采用飽和-非飽和滲流理論和GeoStudio有限元軟件，研究水位漲落時(shí)浸水擋墻的穩(wěn)定性和應(yīng)力場(chǎng)等變化規(guī)律，并為浸水擋墻的設(shè)計(jì)、施工和防護(hù)提供建議。

2 浸水擋墻數(shù)值分析模型

本文首先采用GeoStudio有限元軟件的SEEP/W模塊，分析路基的滲流場(chǎng)；再把路基的滲流場(chǎng)分析結(jié)果分別導(dǎo)入SLOPE/W和SIGMA/W模塊進(jìn)行路基的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布分析[4]。有限元計(jì)算采用簡(jiǎn)化的二維平面模型，其中考慮到閩東山區(qū)的殘積土質(zhì)特點(diǎn)和擋墻特征，其路基模型采用路基填土和地基兩種土組成，典型浸水擋墻路基有限元模型見圖2所示。

圖2 典型浸水擋墻路基有限元模型

有限元分析中，擋土墻取各向同性的線彈性本構(gòu)模型，土體則采用Mohr-Coul模型[5]。相關(guān)材料的參數(shù)取用值見表1。由于擋土墻漿砌部分透水性很差，可以粗略不計(jì)，將其模擬成不透水材料。

表1 材料參數(shù)

泄水孔按墻頂至坡腳，每隔2m布置一個(gè)，且假定泄水孔通透性良好(不考慮孔后沙礫石對(duì)滲流的影響)，將其作為一般介質(zhì)，取其滲透系數(shù)k為一個(gè)大值，即取0.01m/ s。

3 水位變化時(shí)路基的穩(wěn)定性分析

基于前文的計(jì)算模型和參數(shù)，采用GeoStudio軟件的SLOPE/W模塊分析不同漲落條件對(duì)路基穩(wěn)定性影響。計(jì)算工況共取8種，工況具體內(nèi)容及各工況下路基穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，見表2：

表2 水位變化工況內(nèi)容及路基穩(wěn)定系數(shù)

工況一時(shí)，路基穩(wěn)定性分析所得路基失穩(wěn)滑動(dòng)面如圖3所示(其余工況下的路基滑動(dòng)面與工況一類似，未示出)：

由表2，工況一與工況二的穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比可知，水位下降某一相同水位時(shí)，水位從較高的初始水位下降比從較低的初始水位下降時(shí)路基的穩(wěn)定系數(shù)要低，即水位下降到某一相同水位時(shí)，降低幅值越大對(duì)路基穩(wěn)定性越不利。

從工況三與工況四的路基穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比可知，起始穩(wěn)定水位相同，水位下降到相同高程時(shí)，下降速率的大小也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，水位下降速率越大，由邊坡內(nèi)指向坡外滲透力越大，因而邊坡穩(wěn)定性越小。可見，當(dāng)水位從較高水位開始下降時(shí)，應(yīng)控制好水位下降速率，以免引起邊坡失穩(wěn)破壞。

圖3 工況一時(shí)路基穩(wěn)定系數(shù)及滑動(dòng)面

從工況五與工況六的路基穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比可知，水位上升到某一相同水位時(shí)，從較高的初始水位開始上升比從較低的初始水位上升時(shí)路基的穩(wěn)定系數(shù)要低，即水位上升到某一相同水位時(shí)，上升幅值越大對(duì)路基穩(wěn)定性越有利。

從工況七與工況八的路基穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比可知，起始穩(wěn)定水位相同，水位上升到相同高度時(shí)，水位上升速率大的比水位上升速率小的路基穩(wěn)定系數(shù)大，其原因主要是水位上升速率越大，由邊坡外指向坡內(nèi)的反向滲透力越大，因而邊坡穩(wěn)定性越大。

而從工況三與工況七的路基穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比可知，對(duì)于水位上升與水位下降工況，如最終所達(dá)到的水位高程相同，且兩者的水位變化幅值與變化速率均相同時(shí)，水位上升時(shí)較水位下降時(shí)對(duì)應(yīng)的路基穩(wěn)定系數(shù)大。其主要原因是，水位上升，產(chǎn)生由邊坡外指向坡內(nèi)的反向滲透力越大，上升速率越大該滲透力越大；水位下降，產(chǎn)生由邊坡內(nèi)指向坡外的滲透力越大，下降速率越大該滲透力越大，因而水位下降對(duì)路基穩(wěn)定性降低作用非常明顯，這一點(diǎn)也體現(xiàn)在表2中，所有水位下降工況較水位上升工況的路基穩(wěn)定系數(shù)低。因此，在水位變化時(shí)，下降工況下路基穩(wěn)定性最差。建議公路運(yùn)營(yíng)中應(yīng)控制好水位下降速率(一般不超過2.0m/d)，以免引起路基失穩(wěn)破壞，對(duì)于暴洪等無法控制下降速率時(shí)建議水位下降期間車輛應(yīng)與浸水擋墻保持一定安全距離。

另外，考慮到浸水擋墻墻后填土的飽和滲透系數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定的影響，本文計(jì)算了墻后填土飽和滲透系數(shù)為5e-5m/s、5e-6m/s和5e-7m/s時(shí)，水位以速率v=2.0m/d，由26m水位下降到22m水位，其它參數(shù)不變的情況下的路基穩(wěn)定系數(shù)變化。其計(jì)算得到的路基穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線見圖4。

圖4 不同填土滲透系數(shù)時(shí)路基穩(wěn)定系數(shù)與時(shí)間曲線

由圖4可見，墻后填土的飽和滲透系數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定的影響非常顯著，飽和滲透系數(shù)越大，孔壓增大或消散越快，邊坡變形發(fā)展越迅速，路基的穩(wěn)定系數(shù)也就越大；而從路基穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化來看，路基穩(wěn)定系數(shù)在水位開始下降時(shí)急劇下降，最低點(diǎn)均處于水位下降開始的最初幾天內(nèi)，隨后路基穩(wěn)定系數(shù)回升，最終三者的穩(wěn)定系數(shù)趨于一致。對(duì)此建議：浸水擋墻設(shè)計(jì)中，在不影響擋土墻結(jié)構(gòu)的承載能力情況下，宜盡可能多設(shè)置泄水孔以增大路基穩(wěn)定系數(shù)，泄水孔水平向和垂直向設(shè)置間距可選擇為1.0～1.5m，孔徑可以適當(dāng)增大為0.15m；為了保證泄水孔通透性，宜在墻后泄水孔開口附近填放砂礫石；為了增大擋墻土體排水能力，墻后填土應(yīng)采用透水性好的砂性土，并在墻背最底排泄水孔至墻頂以下0.5m高度內(nèi)，填筑0.4m厚的砂、礫石豎向反濾層，反濾層的頂部應(yīng)以0.5m厚不滲水材料封閉；擋土墻基礎(chǔ)底部附近土體，可采用換填方式，換成透水能力較強(qiáng)的礫石，使墻后填土水盡快排出。

4 水位下降條件下路基應(yīng)力場(chǎng)分布

考慮到浸水擋墻路基的穩(wěn)定性以水位下降工況下最差，本文采用有限元計(jì)算分析了水位為26m的穩(wěn)定滲流場(chǎng)孔壓為初始孔壓場(chǎng)，水位按不同速率下降到22m水位時(shí)，各工況下路基的豎向和水平向有效應(yīng)力變化規(guī)律，見圖5～圖12。

圖5 水位下降2d(v=0.5m/d)路基豎向有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖6 水位下降8d(v=0.5m/d)路基豎向有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖7 水位下降30d(v=0.5m/d)路基豎向有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖8 水位下降8d(v=2.0m/d)路基豎向有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖9 水位下降2d(v=0.5m/d)路基水平有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖10 水位下降8d(v=0.5m/d)路基水平有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖11 水位下降30d(v=0.5m/d)路基水平有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖12 水位下降8d(v=2.0m/d)路基水平有效應(yīng)力場(chǎng)(單位:kPa)

圖5～圖7是水位下降2d、8d和30d時(shí)路基土豎向有效應(yīng)力分布圖。由圖可見，水位以相同速率下降時(shí)，引起路基土的孔隙水壓力消散，在土體總應(yīng)力基本不變的情況下，路基土豎向有效應(yīng)力隨之增大。比較圖5與圖7的路基土豎向有效應(yīng)力等值線，其最大值由250kPa增大到300kPa，最小值50kPa等值線上移，等值線向擋土墻聚攏等都說明在水位下降過程中路基土體豎向有效應(yīng)力增大。而比較圖5～圖7中的豎向有效應(yīng)力等值線的上移幅度可見，水位在相同速率下降的工況下，2d到8d比8d到30d所用的時(shí)間短，但等值線的上移幅度明顯更大。這主要是由于，前期水位下降較快，引起路基邊坡內(nèi)的浸潤(rùn)線迅速下降，導(dǎo)致其孔隙水壓力也迅速消散，土的豎向有效應(yīng)力也就迅速增長(zhǎng)；后期水位下降到一定高度不再變化時(shí)，等值線的變化主要是由于路基邊坡內(nèi)的浸潤(rùn)線下降的滯后性所引起的，此時(shí)其孔隙水壓力繼續(xù)消散，但其速率迅速減小，造成土體的豎向有效應(yīng)力增長(zhǎng)的速率也迅速減小，到30d時(shí)其有效應(yīng)力基本不再變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6和圖8為不同降水速率時(shí)水位下降8d路基土豎向有效應(yīng)力場(chǎng)圖。由兩圖對(duì)比可見，在不同下降速率條件下，相同時(shí)間內(nèi)，下降速率大的工況(圖8)，其路基土體各點(diǎn)的豎向有效應(yīng)力均明顯更大。這表明在相同時(shí)間內(nèi)，水位下降速率大的工況，其路基土有效應(yīng)力增大的速率更快。

從圖5～圖8還可以看出，相同的條件下，路基土體豎向應(yīng)力等值線的線形在擋土墻前后的變化較大，反映了擋土墻前后附近土的豎向有效應(yīng)力受水位變化影響較大，這種趨勢(shì)隨著時(shí)間逐漸向外擴(kuò)散。且各速率下降時(shí)都有這一特征，速率大時(shí)更為明顯。

圖9～圖11是水位下降2d、8d和30d時(shí)路基水平向有效應(yīng)力分布圖。由圖可見，其變化規(guī)律與豎向應(yīng)力的變化規(guī)律相一致：水位以相同速率下降時(shí)，引起路基土的孔隙水壓力消散，在土體的總應(yīng)力基本不變的情況下，也引起路基土水平有效應(yīng)力隨之增大。比較圖9與圖11的路基土水平向有效應(yīng)力等值線，其等值線最大值100kPa上移，擋土墻附近的50kPa等值線向擋土墻聚攏等也都說明水平向有效應(yīng)力隨水位下降時(shí)間增長(zhǎng)而增大。而圖9～圖11中的水平向有效應(yīng)力等值線上移的變化規(guī)律也與豎向相一致，即水位在相同速率下降時(shí)，2d到8d比8d到30d所用的時(shí)間短，但等值線的上移幅度明顯更大，且由圖10與圖12比可見，相同時(shí)間內(nèi)下降速率大的工況，其路基土體各點(diǎn)的水平向有效應(yīng)力均明顯更大，造成這種現(xiàn)象的原因與路基豎向有效應(yīng)力的變化的原因相同。而從墻前與墻后土的應(yīng)力對(duì)比看，水位變化時(shí)墻前土水平向有效應(yīng)力隨時(shí)間變化的滯后性比墻后填土的更小。

另外，考慮到水位下降過程中，不僅路基土體水平應(yīng)力增大，擋墻前后還產(chǎn)生了較大的動(dòng)水壓力以及擋墻底部?jī)蓚?cè)的靜水壓力差，從而大大增加擋墻指向墻外的水平力[6]，使得浸水擋墻的傾覆失穩(wěn)和墻底滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)增加，也造成墻趾處路基土豎向有效應(yīng)力的增加，其下降速率越大兩者增加越明顯。因此，設(shè)計(jì)中可采取適當(dāng)加大擋土墻基礎(chǔ)尺寸，增加墻趾伸出寬度及臺(tái)階數(shù)，換填基礎(chǔ)底部土層，適當(dāng)加大基底的內(nèi)傾角度等增加擋土墻的基底承載能力、抗傾覆和抗滑移能力的措施。

5 結(jié)語

通過對(duì)閩東山區(qū)浸水擋墻有限元計(jì)算分析表明：

(1)水位下降工況較上升工況下路基的穩(wěn)定安全系數(shù)更小，下降速率越大該數(shù)值越小，因此為避免路基失穩(wěn)破壞，應(yīng)控制好水位下降速率，且水位下降期間車輛宜與浸水擋墻保持一定安全距離。

(2)墻后填土的飽和滲透系數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定的影響非常顯著，飽和滲透系數(shù)越大，路基的穩(wěn)定系數(shù)也就越大，建議采用適當(dāng)增加泄水孔數(shù)量，墻后填土采用透水性好的砂性土及基礎(chǔ)底部換填成礫石等措施來增大墻后土體滲透系數(shù)。

(3)水位下降時(shí)，路基土體各點(diǎn)的水平向和豎向有效應(yīng)力均明顯增加，下降速率越大，增加越明顯，其所產(chǎn)生的動(dòng)水壓力以及擋墻底部?jī)蓚?cè)的靜水壓力差越大，從而浸水擋墻的傾覆失穩(wěn)和墻底滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，設(shè)計(jì)中宜采取適當(dāng)加大擋土墻基礎(chǔ)尺寸，適當(dāng)加大基底內(nèi)傾角度等增加擋土墻的基底承載能力、抗傾覆和抗滑移能力的措施。

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