，，，

(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(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(yùn)營(yíng)的重大事故，輕則影響交通運(yùn)輸、資金浪費(fèi)、工期延長(zhǎng)，重則造成嚴(yán)重的交通事故，帶來巨大的生命財(cái)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,社會(huì)對(duì)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(jì)注入了新的活力,但對(duì)已有的交通設(shè)施產(chǎn)生巨大影響。庫(kù)區(qū)水位上漲時(shí)，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(qiáng)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(shí)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(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)擋土墻的水害進(jìn)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(jì)著手進(jìn)行分析;劉俊新[4]、沈水進(jìn)[5]、顧成狀[6]等對(duì)強(qiáng)降雨條件下邊坡的失穩(wěn)規(guī)律與成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析；鄭穎人[7]等分析了河庫(kù)水位下降時(shí)滲透力及地下水浸潤(rùn)線的計(jì)算方法。吳寶和[8]在分析地表水、地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡的防治技術(shù)進(jìn)行分析。王玉萍[9]對(duì)水毀路基的防護(hù)方法進(jìn)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(jì)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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)并制作了衡重式模型擋墻，測(cè)試了模型擋墻在水位上升、水位下降時(shí)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(duì)擋土墻的最不利水位進(jìn)行了探討。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?30國(guó)道蓮都段改擴(kuò)建工程為原型，按1∶5的比例設(shè)計(jì)，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(gè)內(nèi)部尺寸為2.5 m(長(zhǎng))×1 m(寬)×1.8 m(高)的模型箱以人工夯實(shí)方法制作，每層夯實(shí)厚度控制為10 cm，并用環(huán)力法檢測(cè)填料的壓實(shí)度，控制填料的壓實(shí)值不低于93%。圖2為安裝測(cè)試元件后的模型擋墻。

圖1 模型設(shè)計(jì)(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(yàn)方法

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

(1)

(2)

式中：h為測(cè)點(diǎn)到墻頂距離;hw為水位高度;H為模型擋墻墻高。

試驗(yàn)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(yàn)分3步進(jìn)行：首先在墻頂施加20 kPa的均布荷載，測(cè)量無水條件下(普通工況)擋墻內(nèi)各點(diǎn)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(duì)水位為0.2、0.4、0.6、0.8、1逐級(jí)提高墻前水位模擬水位上升，蓄水后觀察水位變化，每級(jí)水位穩(wěn)定后測(cè)量擋土墻各點(diǎn)的受力情況及墻身位移變化。然后按相對(duì)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(cè)量各級(jí)水位下?lián)跬翂Ω鼽c(diǎn)的受力情況及墻身位移變化。第2步和第3步試驗(yàn)時(shí)，均保持墻頂荷載為20 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水位上升時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖3a為不同相對(duì)水位條件下，沿相對(duì)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(shì)。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(yàn)采用的是衡重式模型擋墻，由于衡重臺(tái)的影響，衡重臺(tái)上方各點(diǎn)的墻內(nèi)水平土壓力值遠(yuǎn)大于衡重臺(tái)下方各點(diǎn)的墻內(nèi)水平土壓力值。圖3b為相對(duì)水位變化時(shí)各測(cè)點(diǎn)的水平土壓力變化曲線圖，各測(cè)點(diǎn)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(jí)增加，擋土墻墻內(nèi)水平土壓力呈逐漸增大的趨勢(shì)，且增幅明顯。

圖4為水位上升時(shí)墻內(nèi)豎向土壓力變化曲線圖，如圖4所示，在水位逐級(jí)上升的過程中墻內(nèi)各點(diǎn)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(shì)，只是墻內(nèi)各點(diǎn)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(shí)墻內(nèi)位移變化曲線圖，圖5給出了水位逐級(jí)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(shì)，當(dāng)水位高度小于0.6倍墻高時(shí)，墻頂墻底位移變化緩慢，在0.6～0.8倍墻高水位時(shí)，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(shí)，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(dá)到最大值。

圖3 水位上升時(shí)墻內(nèi)水平土壓力變化

圖4 水位上升時(shí)墻內(nèi)豎向土壓力變化

圖5 水位上升時(shí)墻內(nèi)位移變化

2.2 水位下降時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖6為水位下降時(shí)墻內(nèi)水平土壓力變化曲線圖，圖7為水位下降時(shí)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(jí)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(shì)，總體趨勢(shì)上看，同水位上升時(shí)一樣，相對(duì)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(shí)不同的是擋土墻沿墻高方向各點(diǎn)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(duì)水位最高時(shí)，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(shí)減小的墻內(nèi)水平土壓力值小于由滲流作用產(chǎn)生的動(dòng)水壓力值。

圖6 水位下降時(shí)墻內(nèi)水平土壓力變化

圖7 水位下降時(shí)墻內(nèi)豎向土壓力變化

圖8為水位下降時(shí)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(shí)達(dá)到最大值。

圖8 水位下降時(shí)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(jì)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(tái)，可利用其衡重臺(tái)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(jìn)行計(jì)算，上墻多為俯斜式，墻背墻角較大，墻背土體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)第2破裂面，上墻土壓力按第2破裂面理論計(jì)算[10]。下墻土壓力可用墻背延長(zhǎng)法采用庫(kù)倫土壓力計(jì)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(qiáng)降雨時(shí)，河道水位快速上升。泄洪或水庫(kù)開閘放水時(shí)，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(shí)還產(chǎn)生滲流作用，引起動(dòng)水壓力。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖9所示。

圖9 擋土墻水土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

1) 靜水壓力可按式(3)、式(4)計(jì)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(shí)，取負(fù)值。

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

2) 動(dòng)水壓力可按式(5)計(jì)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(jì)算時(shí)的墻內(nèi)主動(dòng)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(yàn)得到的擋土墻墻內(nèi)主動(dòng)土壓力值均大于理論計(jì)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(jì)算時(shí)忽略了擋土墻浸水前后墻后填料內(nèi)摩擦角的變化，而實(shí)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(huì)變小；其次，理論計(jì)算時(shí)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(shí)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(shí)，墻后填料浸水后，抗剪強(qiáng)度迅速降低，使擋墻所受主動(dòng)土壓力值增大。

另外水位下降時(shí)河水對(duì)擋土墻主動(dòng)土壓力的影響遠(yuǎn)大于水位上升時(shí)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(jìn)而形成動(dòng)水壓力。從而使得水位下降時(shí)河水對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的影響大于水位上升時(shí)的影響。

圖10 不同水位高度下3種情況土壓力值

根據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖圖9計(jì)算出各級(jí)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(gè)最小值。而抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)呈逐漸變小的趨勢(shì)，其最小值在水位最高處。實(shí)驗(yàn)時(shí)在墻頂、墻底安裝百分表測(cè)試了浸水擋土墻在各級(jí)水位下的位移情況。試驗(yàn)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(shì)。由于排水不暢形成的瞬時(shí)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(shí)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(shí)，墻頂與墻底間的位移差取得最大值，此時(shí)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(kù)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(qiáng)度降低，使得主動(dòng)土壓力變大，故在既有擋土墻變成浸水擋土墻后的主動(dòng)土壓力理論計(jì)算時(shí)應(yīng)重視墻后填料內(nèi)摩擦角的變化。

2) 水位下降時(shí)對(duì)浸水擋土墻穩(wěn)定性的影響大于水位上升時(shí)的影響，這和墻后填料、墻身構(gòu)造及墻后排水設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，故在設(shè)計(jì)相關(guān)浸水型擋土墻時(shí)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。

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