河道擋土墻的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究

李 兵

(安徽省樅陽(yáng)長(zhǎng)江河道管理局，安徽 銅陵 246700)

0 引 言

2016年以來(lái)，安徽省樅陽(yáng)縣全面實(shí)施災(zāi)后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)性治理項(xiàng)目，著重對(duì)包括沿江易澇區(qū)進(jìn)行河道治理，新建、改擴(kuò)建排澇泵站。水利水電工程作為治理項(xiàng)目的重要一環(huán)，水利設(shè)施中防洪、抗旱工作不容輕視，堤防工程則是保證河道充分發(fā)揮防洪抗?jié)车年P(guān)鍵[1-3]。擋土墻作為護(hù)坡施工技術(shù)，在不同的河道堤防工程中得到廣泛應(yīng)用。黃濤[4]提出了一種改進(jìn)漿砌石擋土墻，以提高施工質(zhì)量控制措施。陳莉等[5]對(duì)自嵌式生態(tài)磚擋土墻進(jìn)行改進(jìn)，縮短了傳統(tǒng)擋土墻的建設(shè)工期，降低了造價(jià)。目前，由于自然氣候多變，河道水量波動(dòng)幅度較大，暴雨天氣引起河道水位上漲，危及沿岸居民的人身安全。因此，對(duì)河道擋土墻進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證其穩(wěn)定性，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。

1 河道擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

擋土墻是一種具有多樣性的支撐構(gòu)造體，用來(lái)抵御側(cè)向壓力及堤防墻后土體的坍塌。相比于陸地?fù)跬翂?，河道擋土墻?huì)有部分長(zhǎng)期淹沒(méi)在水中。擋土墻可以按照不同的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行分類。常見(jiàn)的擋土墻有重力式擋土墻、衡重式擋土墻、鋼筋混凝土懸臂式擋土墻以及錨桿式擋土墻[6-8]。擋土墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，最重要的一環(huán)就是土壓力計(jì)算，關(guān)系著墻后填土以及地基穩(wěn)定性，同時(shí)還需保證土壓力不會(huì)使墻體變形。目前的土壓力理論以庫(kù)倫土壓力和朗肯土壓力為主，通過(guò)極限平衡原理推理得出的兩種理論各有特色且有不同的使用領(lǐng)域。但由于河流及河流周邊沙地具有較差的地質(zhì)環(huán)境，以及抗震要求，對(duì)土壓力的求解更為復(fù)雜。尤其對(duì)處于水體內(nèi)長(zhǎng)期淹沒(méi)狀態(tài)的擋土墻，穩(wěn)定性的確定以及防震減震保障仍有所不足。土壓力作為擋土墻的關(guān)鍵，根據(jù)位移情況不同，具有3種不同性質(zhì)土壓力。見(jiàn)圖1。

圖1 3種土壓力性質(zhì)圖

圖1為3種不同性質(zhì)土壓力示意圖。主動(dòng)土壓力指當(dāng)擋土墻向外位移時(shí)，土壓力減少使墻后土體破裂下滑處于極限平衡狀態(tài)時(shí)作用于墻背的土壓力。被動(dòng)土壓力指當(dāng)擋土墻擠壓土體導(dǎo)致土壓力增大，使得土體上移處于極限平衡狀態(tài)時(shí)作用于墻的抗力。靜止土壓力則指擋土墻靜止不動(dòng)時(shí)，土壓力介于兩者之間的力?，F(xiàn)有的土壓力計(jì)算基本只考慮水平填土后的情況，但河道邊坡、擋墻基本為半淹沒(méi)的傾斜狀態(tài)，在地質(zhì)活動(dòng)頻繁、地震災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，擋土墻在做好河道防護(hù)的同時(shí)，還需對(duì)地震災(zāi)害有良好的抗性[9-11]。因此，研究將橡膠顆粒土(Rubber Granular Soil,RGS)融入擋土墻中，對(duì)傳統(tǒng)擋土墻改進(jìn)，以增強(qiáng)擋土墻穩(wěn)定性、抗震性，并進(jìn)行工程應(yīng)用。RGS擋土墻內(nèi)部填充物具有兩種完全不一樣性質(zhì)的材料，因此力學(xué)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)擋土墻更為特殊。RGS擋土墻橫截面模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 RGS擋土墻示意圖

圖2為RGS擋土墻的物理模型，RGS的力學(xué)特性是擋土墻抗震抗壓的關(guān)鍵所在。在RGS擋土墻中，橡膠對(duì)于砂石的比例，決定了擋土墻的抗震減震以及保障穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。當(dāng)橡膠含量較少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土有較大塑性變形，隨著橡膠含量不斷增大，混凝土的彈性變形能力增強(qiáng)，降低了混凝土的塑性變形量，從而大大降低滯回阻尼，增大穩(wěn)定性。見(jiàn)表1。

表1為不同橡膠含量下RGS力學(xué)參數(shù)。不同的橡膠含量中，內(nèi)摩擦角最大的是10%橡膠含量，而50%橡膠含量彈性模量最小的同時(shí)，內(nèi)摩擦角只有14.64°。當(dāng)擋土墻中填土發(fā)生破壞時(shí)，墻面會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，擋土墻土體的破壞變形過(guò)程見(jiàn)圖3。

表1 不同橡膠含量的RGS參數(shù)

圖3 土體破壞變形模型

在圖3中，當(dāng)填充的土顆粒移動(dòng)時(shí)，使土楔體發(fā)生位移，不但有水平位移，還會(huì)發(fā)生向上的位移，使擋土墻變寬。填充土破壞會(huì)導(dǎo)致土楔體滑動(dòng)，土楔體向上位移，便會(huì)造成局部河道塌方等災(zāi)害。土體屬于庫(kù)倫材料，同時(shí)土體的破壞服從流動(dòng)法則，所以土楔體不但沿著平行于滑裂面方向滑動(dòng)，還會(huì)沿著滑裂面的法線方向滑動(dòng)，當(dāng)填充土移動(dòng)破壞時(shí)，土楔體按照剪切變形移動(dòng)破壞。由于擋土墻土界面也為一個(gè)滑裂面，因此存在速度間斷，但墻土界面材料不能服從流動(dòng)法則，便將擋土墻與填充土的相對(duì)速度以界面黏結(jié)劑的概念確定。因此，按照流動(dòng)法則建立速度場(chǎng)模型，速度場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

在圖4中，為按照流動(dòng)法則建立墻土模型失效機(jī)構(gòu)，由圖4的幾何關(guān)系可以得到土楔體速度與擋土墻相對(duì)速度公式：

(1)

式中：Ve為土楔體速度；Vq為擋土墻速度；Veq為兩個(gè)速度之間的相對(duì)速度；δb為墻體與地面之間的摩擦角；δ為墻體與土的摩擦角；φ為填充土的內(nèi)摩擦角。

此外，當(dāng)擋土墻滑動(dòng)時(shí)，外部負(fù)載功率等于荷載大小與荷載對(duì)象速度之間的“矢量積”為穩(wěn)定系數(shù)。采用能量法定義河道擋土墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，表達(dá)式為：

(2)

系數(shù)求解過(guò)程與庫(kù)倫土壓力求解類似。而擋土墻與土體的相對(duì)柔度，同樣對(duì)擋土墻防震減震的動(dòng)力響應(yīng)有關(guān)系，因此引入相對(duì)柔度公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：Gs為剪切模量；H為填土高度；Dw為墻體單位長(zhǎng)度內(nèi)的抗彎剛度。

2 河道擋土墻穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析及工程應(yīng)用

2.1 RGS擋土墻不同含量以及相對(duì)柔度分析

對(duì)河道的RGS擋土墻穩(wěn)定性分析，從擋土墻的墻土相對(duì)柔度、橡膠顆粒含量、橡膠顆粒土的不同換填位置對(duì)擋土墻的地震動(dòng)力響應(yīng)3個(gè)方面進(jìn)行分析和工程應(yīng)用。當(dāng)擋土墻體積過(guò)大時(shí)，更容易發(fā)生滑動(dòng)破壞，高度與厚度較小的擋土墻則容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)破壞，尤其是河道擋土墻更應(yīng)受到重視。RGS擋土墻在不同墻土相對(duì)柔度下，不同含量橡膠對(duì)擋土墻的抗震性能也有所不同。圖5為在EI-Centro地震波和Kobe地震波時(shí)不同柔度和峰值加速度與擋土墻頂?shù)孜灰撇钪g的關(guān)聯(lián)曲線圖。

在圖5中，RGS擋土墻中的橡膠含量為20%，當(dāng)峰值加速度在0.5g之前，頂?shù)孜灰撇顚?duì)柔度的關(guān)聯(lián)性并不大；但當(dāng)峰值加速度大于0.5時(shí)，不同柔度下的頂?shù)孜灰撇畛霈F(xiàn)大幅度差異。柔度為5.068的頂?shù)孜灰撇钭钚?；?dāng)柔度在6～8時(shí)，相比柔度在10時(shí)的頂?shù)孜灰撇钕陆导s30%；當(dāng)柔度在5.068時(shí)，相比柔度為10時(shí)的頂?shù)孜灰撇钕陆?0%～50%。另外，不同橡膠含量在面對(duì)EI-Centro地震波與Kobe地震波時(shí)，對(duì)頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)程度見(jiàn)圖6。

圖5 柔度、峰值加速度與頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)曲線

圖6 柔度和橡膠顆粒含量與頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)圖

從圖6中可看出，當(dāng)橡膠顆粒占比10%時(shí)，頂?shù)孜灰齐S著柔度的變化并無(wú)明顯差別；當(dāng)橡膠顆粒超過(guò)10%時(shí)，頂?shù)孜灰撇钣忻黠@的下降。未使用橡膠顆?；炷僚cRGS混凝土的柔度頂?shù)孜灰撇顢M合曲線中，RGS混凝土的擬合線更低，斜率也更低，表明使用橡膠顆粒的RGS擋土墻能夠降低擋土墻頂?shù)孜灰撇钍艿饺岫茸兓拿舾行?，有效提高了擋土墻的抗震能力。相?duì)柔度不斷加大時(shí)，使用橡膠顆粒的擋土墻改善效果更好，當(dāng)輸入的地震波是EI-Centro時(shí)，橡膠含量為20%的RGS擋土墻綜合性能最好，柔度在5.068和10時(shí)，頂?shù)孜灰撇钕陆?0%～60%。輸入地震波為Kobe且橡膠顆粒含量為20%時(shí)，在柔度為5.068下頂?shù)孜灰撇罱档?7%，在柔度10下，頂?shù)孜灰撇罱档?7%。

橡膠顆粒土的力學(xué)性能指標(biāo)也與其他因素相關(guān)，其中橡膠的占比是主要的因素。當(dāng)在基巖上輸入EI地震波和Kobe地震波時(shí)，對(duì)不同橡膠含量的RGS擋土墻的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律見(jiàn)圖7。

從圖7中可以看出，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ姆逯导铀俣刃∮?.5g時(shí)，未使用橡膠的傳統(tǒng)擋土墻與RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇顓^(qū)別不大；但當(dāng)峰值加速度大于0.5時(shí)，傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰七_(dá)到0.12，橡膠含量50%的RGS頂?shù)孜灰圃?.06，橡膠含量20%的RGS為0.08。隨著橡膠含量不斷增大，擋土墻的頂?shù)孜灰撇钜砸环N單調(diào)遞減的趨勢(shì)縮小，但不以線性趨勢(shì)減小幅度。當(dāng)填充10%的RGS擋土墻，頂?shù)孜灰撇钕陆导s3%；填充量為20%時(shí)，頂?shù)孜灰撇钕陆捣冗_(dá)到18%～20%；當(dāng)橡膠含量繼續(xù)增大，填充量達(dá)到30%～40%時(shí)，相比20%的填充量，頂?shù)孜灰撇畹慕捣鶅H有2.8%。當(dāng)橡膠-土填充量各50%時(shí)，頂?shù)孜灰撇钪幌陆导s30%～40%左右。而在不同橡膠含量的應(yīng)力云圖則體現(xiàn)出當(dāng)橡膠含量為20%時(shí)，墻底應(yīng)力值相比傳統(tǒng)擋土墻下降10%～20%；橡膠含量繼續(xù)提高時(shí)，墻底應(yīng)力值卻出現(xiàn)上下波動(dòng)情況。因此，從擋土墻的頂?shù)孜灰撇钜约皦Φ讘?yīng)力來(lái)看，使用橡膠顆粒的RGS擋土墻能夠有效提高擋土墻的抗震性能，并且橡膠占比20%時(shí)，RGS擋土墻的性能以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

圖7 橡膠含量不同的RGS擋土墻頂?shù)孜灰撇铌P(guān)系圖

2.2 RGS擋土墻實(shí)際工程應(yīng)用

在對(duì)相對(duì)柔度以及橡膠含量分析中，均是將擋土墻后的所有土體替換為橡膠顆粒土。但在實(shí)際工程中，不需要將全部的土體進(jìn)行替換，便能取得良好的避震減震效果，同時(shí)還可以解決過(guò)高的經(jīng)濟(jì)消耗。在基巖輸入不同峰值加速度的EI地震波以及Kobe地震波，選取性價(jià)比相對(duì)最高的20%含量的RGS擋土墻，對(duì)不同位置替換橡膠土擋土墻的頂?shù)孜灰撇钋€進(jìn)行分析，見(jiàn)圖8。

圖8 橡膠土位置和峰值加速比與頂?shù)孜灰撇畹年P(guān)聯(lián)圖

在圖8中，不同填充位置的擋土墻均能夠降低兩種地震波對(duì)頂?shù)孜灰撇畹挠绊?，但隨著峰值加速度的變化以及填充位置的不同，會(huì)存在一定差異。當(dāng)峰值加速度小于0.3時(shí)，全部填充的RGS擋土墻與傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕嘟?，在表面和底層填?0%橡膠的RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇顓s出現(xiàn)大于傳統(tǒng)擋土墻的情況。當(dāng)峰值加速度大于0.3時(shí)，傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇铍S著峰值加速度迅速增大，而改進(jìn)的RGS擋土墻，不論全部替換還是局部替換，擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕啾葌鹘y(tǒng)擋土墻均有下降。在峰值加速度為0.5時(shí)，頂?shù)孜灰撇钕鄬?duì)不大；在峰值加速度為0.7和0.9時(shí)，在Kobe地震波下，中部與底層使用20%的RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇罡?，頂?shù)孜灰撇钕陆导s26%，能夠取得更加優(yōu)秀的抗震效果。在EI地震波中，表層裝填的RGS擋土墻與傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕嗖顭o(wú)幾，抗震效果最好，頂?shù)孜灰撇钭畹偷氖堑讓友b填RGS的擋土墻，在中部使用橡膠土的擋土墻與全部使用橡膠土的擋土墻頂?shù)孜灰撇钕嗖畈欢?。底層替換的擋土墻相比全部替換的擋土墻，頂?shù)孜灰撇钕陆导s11%?？梢钥闯?，RGS擋土墻由于使用兩種完全不同的材料，使力學(xué)特征差異過(guò)大。當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^(guò)擋土墻時(shí)，會(huì)被反射消耗部分功率，因此部分替換RGS擋土墻的抗震防震效果相比全替換擋土墻及傳統(tǒng)擋土墻更好。

而不同的填充方式也能改變應(yīng)力大小，懸臂式擋土墻的墻底處是危險(xiǎn)系數(shù)最大的部分。因此，針對(duì)墻底應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 填充位置與墻底應(yīng)力關(guān)聯(lián)圖

由圖9可以看出，相比Kobe地震波，EI地震波的墻底應(yīng)力更小。Kobe地震波下的填充方式，應(yīng)力在10.5以上，EI地震波的應(yīng)力在8～10之間。在Kobe地震波中，未裝填的墻底應(yīng)力與表面填充的墻底應(yīng)力相差不大，墻底應(yīng)力最小的填充方式為中層填充，其次為底層填充。在EI地震波下，墻底應(yīng)力最高的是傳統(tǒng)擋土墻。使用RGS擋土墻中，表面填充的墻底應(yīng)力最大，墻底應(yīng)力最小的同樣也是在中部填充的RGS擋土墻?？梢钥闯觯糠痔畛涞南鹉z顆粒土在改善擋土墻的抗震性能中，一方面橡膠土材料的本身密度能夠降低土體的慣性，也能夠降低地震波能量；另一方面，在中部填充時(shí)，在橡膠土與砂土的上下交界處，可以有效吸收地震波能量，從而降低墻-土系統(tǒng)的地震反應(yīng)，還可以反射地震波，進(jìn)一步提高抗震性能。盡管在底部填充橡膠的RGS擋土墻，抗震效果僅次于中部填充，但因?yàn)閺椥阅Ａ康陀谄渌翆?，從而出現(xiàn)了墻底應(yīng)力比中部填充略大的情況。在河道的沖刷下，也會(huì)出現(xiàn)基底脫空情況，因此選擇不同的填土材料與20%含量的RGS擋土墻對(duì)比分析抗傾覆穩(wěn)定性。脫空距離與水平位移對(duì)比圖見(jiàn)圖10。

圖10 不同黏土與RGS土的脫空位移關(guān)系圖

在圖10中，A、B是兩種以黏土為主材料的擋土墻，C、D是兩種以砂土為主材料的擋土墻?？梢钥闯?，隨著脫空距離增大，所有填料下的擋土墻都會(huì)產(chǎn)生位移，并且全部背離填土方向，但增長(zhǎng)幅度各有不同。在脫空距離在1.6m以及之后，水平位移都有大幅度提升。其中，平行位移最大的是以黏土為主材料的A、B兩個(gè)擋土墻，并且RGS擋土墻的位移保持最小在100mm以內(nèi)。因此，綜上得出RGS擋土墻優(yōu)于傳統(tǒng)填料的擋土墻。

3 結(jié) 論

堤防工程是保證河道安全的第一防線，而河道擋土墻的安全與穩(wěn)定則是堤防工程的首要目標(biāo)。因此，研究基于橡膠顆粒的RGS擋土墻，對(duì)傳統(tǒng)擋土墻的穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)橡膠顆粒超過(guò)10%時(shí)，頂?shù)孜灰撇钣忻黠@的下降。對(duì)兩種不同地震波情況下的實(shí)驗(yàn)表明，橡膠含量為20%的RGS擋土墻綜合性能最好，在柔度5.068下頂?shù)孜灰撇罱档?7%；在柔度10下，頂?shù)孜灰撇罱档?7%。從擋土墻頂?shù)孜灰撇詈蛪Φ讘?yīng)力實(shí)驗(yàn)中，20%橡膠占比的RGS擋土墻相比傳統(tǒng)擋土墻經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)秀，抗震性能以及水土保持強(qiáng)度更高。