碎石排水通道對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響與參數(shù)分析

■金國平

（南平武夷集團(tuán)有限公司，南平 353099）

由于擋土墻具有占地面積少、施工簡便、造型美觀、經(jīng)濟(jì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外公路、鐵路、水利等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1]。 設(shè)計(jì)中，擋土墻的回填土通常采用粗顆粒，以促進(jìn)擋墻排水[2]。 由于部分地區(qū)難以獲得粗顆粒的回填土，且運(yùn)輸成本高，使得越來越多的地區(qū)開始考慮采用邊緣土（滲透性差的土）作為擋墻回填土。

若采用邊緣土回填， 需在擋墻中增設(shè)排水設(shè)施，以克服邊緣土滲透性差的缺陷。 為此許多學(xué)者提出了各自的排水方法，如Zornberg 等[3]在擋墻中增設(shè)了非織造土工織物作為排水通道，研究表明，非織造土工織物可以在飽和狀態(tài)下進(jìn)行排水；Guo等[4]將芯吸纖維土工織物應(yīng)用于路基排水，研究結(jié)果表明：芯吸纖維土工織物能夠在土體吸力較大的情況下將水排出；Yang 等[5]提出了碎石墊層進(jìn)行排水的方法， 該方法可以使土體在一定吸力條件下排水，并確定了碎石墊層排水的最佳厚度為10 cm。 以上3 種排水方法中，芯吸纖維土工織物排水效果最佳，其次是碎石墊層，但是芯吸纖維土工織物造價(jià)昂貴，因此碎石墊層是性價(jià)比較高的排水方法。

擋墻后方地下水的侵入是擋墻土體水分的主要來源之一，而Yang 等[5]的研究并未考慮擋墻后地下水位的影響，本文將通過數(shù)值模擬，研究不同地下水位條件下設(shè)置水平碎石排水通道、 水平+豎向碎石排水通道后，對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立

以Bhattacherjee 等[6]的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析，模型高9 m，寬14 m。 采用Geostudio 軟件，根據(jù)是否設(shè)置水平排水通道與豎向排水通道共建立3 種數(shù)值模型，如圖1～3；其中圖1 為無排水通道的數(shù)值模型，圖2 為設(shè)置水平排水通道的數(shù)值模型，3 道水平排水通道分別位于坡腳上方1 m、3 m、5 m 處，且碎石墊層厚度均為10 cm，排水通道長度均為4 m；圖3 為設(shè)置水平+豎向排水通道的數(shù)值模型，水平排水通道的布置與圖2 相同，在水平排水通道后方2 m 處增設(shè)豎向排水通道。

圖1 無排水通道數(shù)值模型

圖2 設(shè)置水平排水通道的數(shù)值模型

圖3 設(shè)置水平+豎向排水通道的數(shù)值模型

1.2 邊界條件

模型主要分析設(shè)置排水通道對(duì)不同地下水位擋墻穩(wěn)定性的影響，先進(jìn)行不同地下水位條件下的滲流分析，隨后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 滲流分析時(shí)，在擋墻后方設(shè)置總水頭分別為3～9 m 的水力邊界條件，并在模型左側(cè)設(shè)置潛在滲流面邊界。 穩(wěn)定性分析時(shí)，在擋墻頂部與坡底設(shè)置“滑入-滑出”的邊界條件以確定邊坡滑動(dòng)面范圍，并將在該范圍內(nèi)自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

1.3 模型材料

擋墻填土為粉質(zhì)粘土， 排水通道材料為碎石，分別取自Yang 等[5]與Bahador 等[7]的模型。 材料的力學(xué)特性參數(shù)及水力參數(shù)見表1、表2。 材料的土水特征曲線（SWCC）與滲透系數(shù)函數(shù)見圖4。

表1 力學(xué)特性參數(shù)

表2 土水特征曲線擬合參數(shù)及飽和滲透系數(shù)

圖4 材料土水特征曲線（SWCC）與滲透系數(shù)函數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

從圖5 可以明顯的看出：不論是否設(shè)置排水通道，隨著地下水位的增高，擋墻穩(wěn)定性均呈減小趨勢(shì)； 其中設(shè)置水平+豎向排水通道的情況穩(wěn)定性減弱趨勢(shì)最??； 其次是僅設(shè)置水平排水通道的情況；未設(shè)置排水通道的情況穩(wěn)定性減弱趨勢(shì)最大。從表3中可以直觀地看出設(shè)置排水通道對(duì)提高擋墻穩(wěn)定性的效果。 隨著地下水位高度的升高，設(shè)置排水通道對(duì)提高擋墻穩(wěn)定性的效果越來越好；其中設(shè)置水平+豎向排水通道的情況提高擋墻穩(wěn)定性的效果最佳。 在地下水位高度為9 m 時(shí)，擋墻穩(wěn)定性提高了23.9%。以上數(shù)值模擬結(jié)果分析表明：在設(shè)置水平排水通道的基礎(chǔ)上，增設(shè)豎向排水通道對(duì)提高擋墻穩(wěn)定性有顯著效果。

圖5 設(shè)置排水通道對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

表3 不同地下水位高度條件下?lián)鯄Ψ€(wěn)定性

3 參數(shù)分析

針對(duì)豎向排水通道水平位置、粉質(zhì)粘土與碎石土水特征曲線擬合參數(shù)a 和n、 碎石滲透系數(shù)展開參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響。

3.1 豎向排水通道水平位置的影響

在水平排水通道后方1 m、2 m、3 m、4 m 處分別設(shè)置豎向排水通道，并建立相應(yīng)數(shù)值分析模型。4個(gè)數(shù)值分析模型的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。 從圖中可以清晰看出：隨著豎向排水通道水平位置離水平排水通道越來越遠(yuǎn)， 擋墻穩(wěn)定性呈減小趨勢(shì)。 圖7呈現(xiàn)了豎向排水通道不同水平位置擋墻穩(wěn)定性提高率的規(guī)律。 地下水位高度為3 m、4 m 時(shí)，豎向排水通道不同水平位置對(duì)擋墻穩(wěn)定性沒有影響，穩(wěn)定性提高率為0；當(dāng)?shù)叵滤粸?～9 m 時(shí)，隨著地下水位的提高，豎向排水通道不同水平位置對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響越來越顯著；總體規(guī)律為：離水平排水通道越近，擋墻穩(wěn)定性提高率越大，當(dāng)豎向排水通道水平位置為1 m 時(shí)，擋墻穩(wěn)定性提高率達(dá)到最大值26.5%。

圖6 豎向排水通道不同水平位置對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

圖7 豎向排水通道不同水平位置擋墻穩(wěn)定性提高率對(duì)比

3.2 粉質(zhì)粘土土水特征曲線擬合參數(shù)a、n 的影響

土水特征曲線擬合參數(shù)a、n 值將影響土體非飽和條件下的滲透系數(shù)與含水率，從而影響土體強(qiáng)度，進(jìn)而影響擋墻穩(wěn)定性。 參數(shù)a 共進(jìn)行10 個(gè)數(shù)值的分析， 分別為：1、5、15、20、25、50、100、150、200；參數(shù)n 共進(jìn)行4 個(gè)數(shù)值的分析， 分別為：2、5、10、15；數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖8～9 所示。 從圖8 可得：不同地下水位條件下，擋墻穩(wěn)定性隨著參數(shù)a 的增大而增大， 但當(dāng)a＞50 后，a 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的提高趨勢(shì)有所降低。 此外，地下水位越高，a 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的提高越不顯著。 這是由于參數(shù)a 主要影響非飽和區(qū)域土體的強(qiáng)度，隨著地下水位的提高，擋墻非飽和區(qū)域的范圍越來越小，從而對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響越來越不顯著。

圖8 粉質(zhì)粘土不同a 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

觀察圖9 可知： 當(dāng)?shù)叵滤粸?～9 m 時(shí)，n 值增大對(duì)擋墻穩(wěn)定性的提高并不明顯；當(dāng)?shù)叵滤粸?～5 m 時(shí)，n 值增大，擋墻穩(wěn)定性反而有所降低，n＞5后，擋墻穩(wěn)定性基本不變。 因此，當(dāng)n=2 時(shí)，對(duì)擋墻穩(wěn)定性最有利。

圖9 粉質(zhì)粘土不同n 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

3.3 碎石土水特征曲線擬合參數(shù)a、n 及滲透系數(shù)的影響

碎石a、n 值的分析范圍均取為1、3、7、10，共建立8 個(gè)數(shù)值分析模型。 計(jì)算結(jié)果如圖10 所示：碎石a、n 參數(shù)值的變化對(duì)擋墻穩(wěn)定性影響很小。 這是由于a、n 值僅影響非飽和區(qū)域的強(qiáng)度，作為豎向排水通道的碎石一直處于飽和狀態(tài)，只有作為水平排水通道的碎石處于非飽和狀態(tài)，而該部分碎石僅占整個(gè)擋墻的一小部分，因此碎石參數(shù)a、n 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響很小。

圖10 碎石不同a、n 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

碎石滲透系數(shù)分析范圍取1×10-5、4.9×10-5、1×10-4、4.9×10-4，共建立4 個(gè)數(shù)值分析模型，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。 顯然，擋墻穩(wěn)定性隨著碎石滲透系數(shù)的增大而提高；這是由于豎向排水通道將擋墻后的地下水及時(shí)排出，使擋墻大部分土體處于非飽和狀態(tài)，從而提高擋墻穩(wěn)定性。 綜上可得，碎石a、n 值的變化對(duì)擋墻穩(wěn)定性影響很小，增大碎石滲透系數(shù)能有效提高擋墻穩(wěn)定性。

圖11 碎石不同滲透系數(shù)對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響

4 結(jié)論

在不同地下水位條件下，對(duì)設(shè)置了水平排水通道、 水平+豎向排水通道及未設(shè)置排水通道3 種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；并對(duì)豎向排水通道水平位置、 粉質(zhì)粘土與碎石土水特征曲線擬合參數(shù)a、n值、碎石滲透系數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)置水平排水通道可以有效提高擋墻穩(wěn)定性； 設(shè)置水平+豎向排水通道可以進(jìn)一步提高擋墻穩(wěn)定性。

（2）豎向排水通道離水平排水通道越近，排水效果越好，對(duì)擋墻穩(wěn)定性的提高越顯著。

（3）粉質(zhì)粘土參數(shù)a 增大，能有效提高擋墻穩(wěn)定性，但當(dāng)a＞50 后，提高效果將不再顯著；粉質(zhì)粘土參數(shù)n 增大，擋墻穩(wěn)定性減小，n＞5 后，擋墻穩(wěn)定性變化不大。

（4）碎石參數(shù)a、n 值對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響很小，而碎石滲透系數(shù)的增大能有效提高擋墻穩(wěn)定性。