墻前水位變化對擋土墻的影響試驗研究

，，，

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

作為路基支擋結(jié)構(gòu)的擋土墻是路基的一部分，用來抵擋由路基填土、路面結(jié)構(gòu)和交通荷載形成的側(cè)向土壓力。在山區(qū)公路建設(shè)中，因石料來源廣，施工簡單，漿砌重力式擋土墻的應(yīng)用最為廣泛。公路擋土墻失穩(wěn)是公路建設(shè)運營的重大事故，輕則影響交通運輸、資金浪費、工期延長，重則造成嚴(yán)重的交通事故，帶來巨大的生命財產(chǎn)損失。

引發(fā)公路擋土墻失穩(wěn)的原因很多，山區(qū)公路大多沿河而建，公路擋土墻本身作為河岸的一部分，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,社會對能源的需求增大,具有豐富水利資源的山區(qū)的水電事業(yè)得到快速發(fā)展,山區(qū)水電的高速發(fā)展給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟注入了新的活力,但對已有的交通設(shè)施產(chǎn)生巨大影響。庫區(qū)水位上漲時，既有非浸水擋土墻變成浸水擋土墻，由于墻后填土的含水率增加、抗剪強度降低等因素的影響，擋土墻的抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性減弱。同時由于河水浸泡及滲流作用引起填料顆粒流失的影響，最終造成路基沉降、路面開裂。因此，既有非浸水擋土墻變?yōu)榻畵跬翂Ψ€(wěn)定性的研究有著非常重要的意義。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對擋土墻的水害進行了研究。鄭穎人[1]、唐曉松[2]等從孔隙水壓力作用方面著手分析邊坡的穩(wěn)定性情況；劉琦[3]等從墻身構(gòu)造和墻后排水設(shè)計著手進行分析;劉俊新[4]、沈水進[5]、顧成狀[6]等對強降雨條件下邊坡的失穩(wěn)規(guī)律與成災(zāi)機理進行分析；鄭穎人[7]等分析了河庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算方法。吳寶和[8]在分析地表水、地下水對邊坡穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，對邊坡的防治技術(shù)進行分析。王玉萍[9]對水毀路基的防護方法進行了研究。這些現(xiàn)有研究主要是以新建浸水擋土墻的設(shè)計為主，涉及到土壓力、擋土墻結(jié)構(gòu)、排水措施等多方面內(nèi)容，但對既有擋土墻因水位上升而變?yōu)榻畵跬翂Φ难芯亢苌佟?/p>

為深入研究浸水擋土墻的失穩(wěn)和破壞形式，試驗設(shè)計并制作了衡重式模型擋墻，測試了模型擋墻在水位上升、水位下降時的土壓力、累積變形和滑移傾覆情況，獲得了擋土墻在浸水條件下的土壓力變化規(guī)律、失穩(wěn)破壞形式，并對擋土墻的最不利水位進行了探討。

1 模型設(shè)計與試驗方法

1.1 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ鸵?30國道蓮都段改擴建工程為原型，按1∶5的比例設(shè)計，如圖1所示。填料的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。模型擋墻在一個內(nèi)部尺寸為2.5 m(長)×1 m(寬)×1.8 m(高)的模型箱以人工夯實方法制作，每層夯實厚度控制為10 cm，并用環(huán)力法檢測填料的壓實度，控制填料的壓實值不低于93%。圖2為安裝測試元件后的模型擋墻。

圖1 模型設(shè)計(單位：cm)

表1 填料的物理力學(xué)性質(zhì)含水率/%比重Gz液限ωL/%塑限ωP/%黏聚力C/kPa內(nèi)摩擦角?/(°)最大干密度/(g·cm-3)7 32 6932 3314 524321 81

圖2 模型擋墻

1.2 試驗方法

為方便試驗數(shù)據(jù)分析，在此定義相對墻高ξ和相對水位R的概念：

(1)

(2)

式中：h為測點到墻頂距離;hw為水位高度;H為模型擋墻墻高。

試驗利用液壓千斤頂(量程60 t)通過填土上方滿鋪墊塊的方式均布加載。試驗分3步進行：首先在墻頂施加20 kPa的均布荷載，測量無水條件下(普通工況)擋墻內(nèi)各點的水平土壓力、豎向土壓力和擋墻位移。再向墻前空間注水，按相對水位為0.2、0.4、0.6、0.8、1逐級提高墻前水位模擬水位上升，蓄水后觀察水位變化，每級水位穩(wěn)定后測量擋土墻各點的受力情況及墻身位移變化。然后按相對水位依次為1、0.8、0.6、0.4、0.2的步驟降低水位，待水位穩(wěn)定后測量各級水位下?lián)跬翂Ω鼽c的受力情況及墻身位移變化。第2步和第3步試驗時，均保持墻頂荷載為20 kPa。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水位上升時的測試結(jié)果

圖3a為不同相對水位條件下，沿相對墻高方向的墻內(nèi)水平土壓力值分部曲線圖，如圖3a所示，隨著埋置深度的增大，擋土墻上墻范圍內(nèi)的墻內(nèi)水平土壓力值逐漸變大，下墻范圍內(nèi)的墻內(nèi)水平土壓力值也呈現(xiàn)相同趨勢。并且在墻高約1.2 m處出現(xiàn)突變現(xiàn)象，這與模型擋墻的墻型選擇有關(guān)，本試驗采用的是衡重式模型擋墻，由于衡重臺的影響，衡重臺上方各點的墻內(nèi)水平土壓力值遠大于衡重臺下方各點的墻內(nèi)水平土壓力值。圖3b為相對水位變化時各測點的水平土壓力變化曲線圖，各測點數(shù)據(jù)表明，在恒定荷載(20 kPa)作用下，隨著墻前水位的逐級增加，擋土墻墻內(nèi)水平土壓力呈逐漸增大的趨勢，且增幅明顯。

圖4為水位上升時墻內(nèi)豎向土壓力變化曲線圖，如圖4所示，在水位逐級上升的過程中墻內(nèi)各點豎向土壓力值和水平土壓力一樣，也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，只是墻內(nèi)各點的豎向土壓力沒有水平土壓力變化明顯。

圖5為水位上升時墻內(nèi)位移變化曲線圖，圖5給出了水位逐級上升過程中擋土墻墻頂、墻底的位移變化。隨著水位升高，擋土墻墻頂及墻底位移呈現(xiàn)增大趨勢，當(dāng)水位高度小于0.6倍墻高時，墻頂墻底位移變化緩慢，在0.6～0.8倍墻高水位時，墻頂墻底位移變化幅度最大，當(dāng)擋土墻水位高度大于0.8倍墻高時，墻頂墻底位移變化幅度再次減小。在最高水位處，墻頂與墻底之間的位移差達到最大值。

圖3 水位上升時墻內(nèi)水平土壓力變化

圖4 水位上升時墻內(nèi)豎向土壓力變化

圖5 水位上升時墻內(nèi)位移變化

2.2 水位下降時測試結(jié)果

圖6為水位下降時墻內(nèi)水平土壓力變化曲線圖，圖7為水位下降時墻內(nèi)豎向土壓力變化曲線圖。由圖6、圖7可知，在恒定荷載(20 kPa)作用下，隨著墻前水位的逐級下降，擋土墻墻內(nèi)水平土壓力及豎向土壓力呈逐漸減小的趨勢，總體趨勢上看，同水位上升時一樣，相對水位越高，墻內(nèi)水平、豎直土壓力值越大。其中與水位上升時不同的是擋土墻沿墻高方向各點處的水平土壓力在0.8倍墻高水位處取得最大值。這是由于相對水位最高時，水位穩(wěn)定條件下，墻前墻后水位高度相等，不存在滲流作用，而由最高水位下降到0.8倍墻高水位時減小的墻內(nèi)水平土壓力值小于由滲流作用產(chǎn)生的動水壓力值。

圖6 水位下降時墻內(nèi)水平土壓力變化

圖7 水位下降時墻內(nèi)豎向土壓力變化

圖8為水位下降時墻內(nèi)位移變化曲線圖。水位開始下降到水位下降到0.8倍墻高處過程中，墻頂、墻底位移均變化緩慢，由0.8倍墻高水位到0.6倍墻高水位過程中，墻頂、墻底位移變化速率增大，而后墻頂、墻底位移變化速率放緩，墻頂、墻底位移在水位下降為0倍墻高時達到最大值。

圖8 水位下降時墻內(nèi)位移變化

2.3 分析與討論

2.3.1 浸水擋墻水土壓力計算

衡重式擋土墻是山區(qū)公路建設(shè)中廣泛使用的墻型，結(jié)構(gòu)上可分為上墻、下墻兩部分，中間設(shè)有一衡重臺，可利用其衡重臺上的填土重力使墻身整體重心后移，使基底應(yīng)力趨于均衡，從而增加了墻身的穩(wěn)定性。這樣可適當(dāng)提高擋土墻的高度。衡重式擋墻的土壓力應(yīng)分兩部分進行計算，上墻多為俯斜式，墻背墻角較大，墻背土體內(nèi)會出現(xiàn)第2破裂面，上墻土壓力按第2破裂面理論計算[10]。下墻土壓力可用墻背延長法采用庫倫土壓力計算。

山區(qū)公路擋墻往往依山傍水而建，擋土墻即為河岸的一部分，發(fā)生強降雨時，河道水位快速上升。泄洪或水庫開閘放水時，河道水位快速下降。使擋土墻前后有水位差存在，形成相應(yīng)的靜水壓力，并且由于水位的急劇變化，同時還產(chǎn)生滲流作用，引起動水壓力。計算簡圖如圖9所示。

圖9 擋土墻水土壓力計算簡圖

1) 靜水壓力可按式(3)、式(4)計算：

(3)

(4)

式中：W1為靜水壓力，kN/m；γω為水容重,kN/m3；h2為墻后水位高度，m；h3為墻前水位高度，m；ε為墻背與豎直線夾角，(°)，當(dāng)墻背仰斜時，取負值。

當(dāng)水位快速上升時采用公式(3)計算靜水壓力，當(dāng)水位快速下降時采用公式(4)計算靜水壓力。當(dāng)水位保持穩(wěn)定時，認(rèn)為墻前后靜水壓力平衡，可不考慮靜水壓力作用。

2) 動水壓力可按式(5)計算[11]:

(5)

(6)

2.3.2 墻內(nèi)土壓力和位移分析

水位上升、水位下降和理論計算時的墻內(nèi)主動土壓力值如圖10所示。分析可知，無論是水位上升或是水位下降，試驗得到的擋土墻墻內(nèi)主動土壓力值均大于理論計算的結(jié)果。之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，首先是由于理論計算時忽略了擋土墻浸水前后墻后填料內(nèi)摩擦角的變化，而實際工程中，在河水的浸泡作用下墻后填料的綜合內(nèi)摩擦角會變??；其次，理論計算時假定水位上升墻前墻后水位不存在水位差，靜水壓力值相等，而實際工程中，墻后填料不可能為理想的透水性填料，在浸水擋土墻前后有水位差存在，形成相應(yīng)的靜水壓力；同時，墻后填料浸水后，抗剪強度迅速降低，使擋墻所受主動土壓力值增大。

另外水位下降時河水對擋土墻主動土壓力的影響遠大于水位上升時的影響。由于墻前水位下降較快，墻后水位在下降過程存在延滯性，使得墻前墻后形成一定高度的水位差，形成靜水壓力；并且由于水位下降過程中，墻后水向墻外排出，墻后填料產(chǎn)生滲流作用，進而形成動水壓力。從而使得水位下降時河水對擋土墻穩(wěn)定性的影響大于水位上升時的影響。

圖10 不同水位高度下3種情況土壓力值

根據(jù)計算簡圖圖9計算出各級水位下?lián)跬翂Φ目够品€(wěn)定系數(shù)KC及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kt，圖11為擋土墻抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)隨水位變化的發(fā)展曲線。

圖11 不同水位高度下KC及Kt值

由圖11可知: 隨著水位的升高，抗滑移穩(wěn)定系數(shù)在0.6～0.8倍墻高水位處存在一個最小值。而抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)呈逐漸變小的趨勢，其最小值在水位最高處。實驗時在墻頂、墻底安裝百分表測試了浸水擋土墻在各級水位下的位移情況。試驗數(shù)據(jù)見圖5，隨著水位升高，擋土墻墻頂及墻底位移呈現(xiàn)增大趨勢。由于排水不暢形成的瞬時水位使得擋土墻穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低，墻底位移迅速增大，相鄰水位間的墻底位移差在0.6～0.8倍墻高水位間取得最大值，此時擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性最差；隨著水位升高，擋土墻墻頂與墻底間的位移差逐漸增大，當(dāng)水位為最高水位時，墻頂與墻底間的位移差取得最大值，此時擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性最差。

3 結(jié)論

1) 山區(qū)水電工程建設(shè)中，因水庫水位上升，既有擋土墻變成浸水擋土墻，原有墻后填料的性質(zhì)不滿足浸水擋土墻填料的要求，擋土墻在浸水后，墻后填料抗剪強度降低，使得主動土壓力變大，故在既有擋土墻變成浸水擋土墻后的主動土壓力理論計算時應(yīng)重視墻后填料內(nèi)摩擦角的變化。

2) 水位下降時對浸水擋土墻穩(wěn)定性的影響大于水位上升時的影響，這和墻后填料、墻身構(gòu)造及墻后排水設(shè)計有很大關(guān)系，故在設(shè)計相關(guān)浸水型擋土墻時應(yīng)合理選擇墻型并注重墻后排水問題。

3) 由于隨著水位的升高，浸水擋土墻墻頂與墻底間的位移差不斷變大，故浸水擋土墻抗傾覆的最不利水位應(yīng)為最高水位。但浸水擋土墻在大約0.6～0.8倍墻高處，擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性最差，故浸水擋土墻抗滑移最不利水位約為0.6～0.8倍墻高。

[1] 鄭穎人，唐曉松.庫水作用下邊(滑)坡穩(wěn)定性分析[J].巖石工程學(xué)報，2007，29(8)：1115-1121.

[2] 唐曉松，鄭穎人.水位下降過程中超孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].水利水運工程學(xué)報，2007，3(1)：1-6.

[3] 劉琦，盧耀如，李曉昭.孔隙水壓力對巖石力學(xué)參數(shù)的影響[J].地球?qū)W報，2008，29(5)：660-664.

[4] 劉俊新，劉育田，胡啟軍.降雨入滲對路堤邊坡穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(3)：903-910.

[5] 沈水進，孫紅月，朱漢華.臺風(fēng)暴雨引發(fā)公路水毀規(guī)律分析及防災(zāi)對策[J].公路工程，2011，36(6)：6-10.

[6] 顧成狀，胡卸文，張茂淳，等.強降雨下飽和平滑型滑坡坡體水流運動及其邊坡穩(wěn)定效應(yīng)分析——以四川漢源二蠻山滑坡為例[J].巖土力學(xué)，2013，34(4)：1075-1081.

[7] 鄭穎人，時衛(wèi)民，孔位學(xué).庫水位下降時滲透力及地下浸潤線的計算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(18)：3203-3210.

[8] 吳寶和.地表水和地下水對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響及防滲措施[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14(3)：140-141.

[9] 王玉萍.山區(qū)公路水毀路基防護設(shè)計[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，23(5)：37-39.

[10] 楊學(xué)強，范瑛.對坦墻墻后土體第二破裂面的研究[J].巖土工程技術(shù)，2001(1)：14-17.

[11] 盧延浩，劉斯宏，陳亮,等.土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.