某邊坡?lián)跬翂逅蚍治?/h1>
2011-09-13 12:41:42陳紅敏
四川建筑 2011年6期
張 軍，史 飛，陳紅敏
邊坡?lián)跬翂υ诘缆泛蛶r土工程中應(yīng)用廣泛，其使用的環(huán)境和條件是復(fù)雜多樣的，在不同的使用環(huán)境和工況下?lián)跬翂λ艿降膬?nèi)力與設(shè)計值是不一樣的。邊坡可分為穩(wěn)定邊坡、可能失穩(wěn)邊坡和失穩(wěn)邊坡，通常失穩(wěn)邊坡和可能失穩(wěn)邊坡統(tǒng)稱為病害邊坡。病害邊坡的發(fā)展受諸多因素的影響，對于具體的工程問題，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行具體的分析。本文根據(jù)某邊坡?lián)跬翂Φ膶嵉厍闆r和具體數(shù)據(jù)對該擋土墻垮塌的原因進(jìn)行具體的分析。
1 工程概況
該工程位于四川康定，處于9度抗震設(shè)防地區(qū)，于2008年6月竣工，2010年10月垮塌，使用期僅為兩年。該擋土墻分為上下兩部分，中間為道路，整個擋土墻采用C20素混凝土澆筑而成，平均厚度為500mm。
2 計算模型及材料特性
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以建立如圖1所示的力學(xué)模型。其中，山坡土體為砂土帶有黏土，其黏土內(nèi)摩擦角為35°，內(nèi)聚力為37.5 kPa，砂土內(nèi)摩擦角為30°。擋土墻由C20素混凝土澆筑而成。
圖1 擋土墻結(jié)構(gòu)力學(xué)模型
3 垮塌原因分析
根據(jù)現(xiàn)場的垮塌情況，可以分別從外觀、環(huán)境、力學(xué)分析等方面來分析垮塌的原因。
3.1 外觀分析
擋土墻為素混凝土擋土墻，為脆性材料，其高度較大，又未配置鋼筋，抗剪能力較弱。通過觀察旁邊的擋土墻，發(fā)現(xiàn)未設(shè)置溫度伸縮縫，而整個墻體面積很大，又處于(康定)溫差較大的地區(qū)，故墻體熱脹冷縮效應(yīng)很明顯，墻體的局部薄弱環(huán)節(jié)受脹縮應(yīng)力的影響發(fā)生開裂破壞，引起了應(yīng)力的重新分布，由此引起整個擋土墻垮塌。
從擋土墻排水方面來看，整個擋土墻未設(shè)置排水孔，從而引起雨季有大量的雨水蓄積在擋土墻后，這樣土體達(dá)到飽和狀態(tài)甚至積水。當(dāng)擋土墻后的土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，墻體所受的主動土壓力會增加很多，而土體的抗剪強度會有大幅度的降低，墻后土體有滑坡趨勢，這使得擋土墻所受到的壓力更大，擋土墻達(dá)到承載力極限而破壞。
3.2 環(huán)境分析
擋土墻自建成以后，本身處于力學(xué)平衡狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境情況發(fā)生變化時就破壞了原有的平衡狀態(tài)，一旦超過極限狀態(tài)就會發(fā)生破壞。通過現(xiàn)場察看，在原有的擋土墻上部和旁邊堆有大量的建筑材料，這使得擋土墻的受力狀況發(fā)生了變化，土壓力增大，加速了擋土墻的破壞。此外，擋土墻底部正在修建房屋，在做地基的時候可能擾亂了山坡土體原有的平衡狀態(tài)，增大了擋土墻的受力。
3.3 力學(xué)分析
3.3.1 擋土墻抗剪承載力
整個擋土墻的受力狀況簡化為力學(xué)模型，即為擋土墻在主動土壓力的作用下自身的抗剪能力滿足不了承載能力而發(fā)生破壞。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010－2002)第7.5.3條要求，單位長度上混凝土的斜截面抗剪能力為:
3.3.2 主動土壓力
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，擋土墻高10m，墻后土體重度γ=18 kN/m2，內(nèi)摩擦角35°，擋土墻厚500mm，仰斜角度為 5°，上部坡度 65°，則計算如下［5］。
破裂角度為:
ψ=φ+α+δ=47.528
由此可知擋土墻抗剪承載力無法承受其后土體產(chǎn)生的主動土壓力的水平分力。
4 擋土墻有限元分析
4.1 模型建立
根據(jù)擋土墻的力學(xué)情況，現(xiàn)采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。在模型中采用 plane42二維面單元模擬土體，采用beam3梁單元模擬擋土墻。其有限元模型如圖2所示。
4.2 材料參數(shù)
土體，采用彈塑性材料力學(xué)模型，其彈性模量為1 GPa，泊松比為0.4，密度(即土體重度)取18 kN/m3，擋土墻為C20素混凝土，采用脆性材料力學(xué)模型，其彈性模量為25.5 GPa，泊松比為 0.2，密度為 22 kN/m3。
圖2 有限元分析模型
4.3 分析結(jié)果
建立有限元分析模型，分析計算得到土體的應(yīng)力云圖如圖3所示。從應(yīng)力云圖可以看出有限元分析的土體產(chǎn)生的壓力與理論方法所計算的結(jié)果是有差距的，但其最大值為393.437 kN，而通過理論計算的主動土壓力為390.77 kN，可以看出理論的計算結(jié)果與數(shù)值模擬計算的結(jié)果比較相符。通過分析，實際的土體壓力也超過了素混凝土墻的抗剪承載力，所以擋土墻是達(dá)到承載力極限而發(fā)生垮塌。
4.4 考慮擋土墻后積水情況的有限元分析
在雨水季節(jié)時，擋土墻如果排水處理不夠完善，則擋土墻后的土體就會發(fā)生積水現(xiàn)象。首先是土體本身的含水量增大，密度增加，由此對擋土墻產(chǎn)生的土壓力增大;其次是土體含水量增大之后，其粘聚力將大幅度降低，土體的抗剪承載力將會大幅度減小，會產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，由此也會破壞擋土墻。因此，在考慮擋土墻后的土體含水時必須同時考慮土體的密度增加引起的土壓力增大和土體抗剪強度的降低。本文僅考慮土體后面積水高度對擋土墻的影響。
有限元分析模型仍然采用前面所使用的模型，只修改墻后土體的力學(xué)參數(shù)，分別考慮墻后土體在飽和、積水和完全積水的情況下的擋土墻的受力情況。
(1)墻后土體飽和時，土體密度增大。一般狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖見圖3，飽狀態(tài)下應(yīng)力云圖見圖4。
圖3 一般狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
圖4 土體飽和狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
(2)墻后土體積水時，不僅土體密度增大，而且墻后有積水，此時應(yīng)該附加水壓力，經(jīng)計算得到如圖5所示。
(3)當(dāng)積水高度不一樣時，墻后產(chǎn)生的壓力變化較大，經(jīng)過計算，呈現(xiàn)為圖6的增長趨勢。
經(jīng)過對擋土墻后積水情況的分析，可以看出當(dāng)積水高度達(dá)到一定的高度時，墻后的壓力將趨于直線增長，積水的高度對擋土墻的破壞性很大，因此在進(jìn)行擋土墻設(shè)計的時候需要充分做好排水工作，特別是在雨季較多的地區(qū)，更應(yīng)該做好排水措施，以避免擋土墻的垮塌事故。
圖5 墻后積水狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
圖6 墻后積水狀態(tài)下土壓力隨積水高度的變化
5 結(jié)論
通過以上對垮塌原因的分析，可以看出該擋土墻垮塌的直接原因是由于素混凝土擋土墻抗剪承載力達(dá)到極限狀態(tài)而發(fā)生破壞，間接原因還包括無法排水引起土壓力增大，無溫度伸縮縫致使墻體開裂產(chǎn)生薄弱部位等。在今后的擋土墻修建過程中，一定要經(jīng)過有資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計才能修建，而且要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工，以確保工程質(zhì)量。
［1］ 黃淄濱．高邊坡?lián)跬翂够瑒佑邢拊治觯跩］．水利科技，2006(3)
［2］ 朱伯芳．有限單元法原理與應(yīng)用［M］．北京:中國水利水電出版社，1998
［3］ 趙明華，俞曉．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］．武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2000
［4］ 賴瓊?cè)A．邊坡?lián)跬翂Φ脑O(shè)計方法探討［J］．廣東水利水電，2001(4)
［5］ 鄭剛．水泥土重力式擋墻傾覆破壞的分析［J］．巖土力學(xué)，2001，22(2)
［6］ 王渭漳，吳亞中．重力式擋土墻墻背土壓力及其分布的研究［J］．中南公路工程，1992(1)
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1 工程概況
該工程位于四川康定，處于9度抗震設(shè)防地區(qū)，于2008年6月竣工，2010年10月垮塌，使用期僅為兩年。該擋土墻分為上下兩部分，中間為道路，整個擋土墻采用C20素混凝土澆筑而成，平均厚度為500mm。
2 計算模型及材料特性
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可以建立如圖1所示的力學(xué)模型。其中，山坡土體為砂土帶有黏土，其黏土內(nèi)摩擦角為35°，內(nèi)聚力為37.5 kPa，砂土內(nèi)摩擦角為30°。擋土墻由C20素混凝土澆筑而成。
圖1 擋土墻結(jié)構(gòu)力學(xué)模型
3 垮塌原因分析
根據(jù)現(xiàn)場的垮塌情況，可以分別從外觀、環(huán)境、力學(xué)分析等方面來分析垮塌的原因。
3.1 外觀分析
擋土墻為素混凝土擋土墻，為脆性材料，其高度較大，又未配置鋼筋，抗剪能力較弱。通過觀察旁邊的擋土墻，發(fā)現(xiàn)未設(shè)置溫度伸縮縫，而整個墻體面積很大，又處于(康定)溫差較大的地區(qū)，故墻體熱脹冷縮效應(yīng)很明顯，墻體的局部薄弱環(huán)節(jié)受脹縮應(yīng)力的影響發(fā)生開裂破壞，引起了應(yīng)力的重新分布，由此引起整個擋土墻垮塌。
從擋土墻排水方面來看，整個擋土墻未設(shè)置排水孔，從而引起雨季有大量的雨水蓄積在擋土墻后，這樣土體達(dá)到飽和狀態(tài)甚至積水。當(dāng)擋土墻后的土體達(dá)到飽和狀態(tài)后，墻體所受的主動土壓力會增加很多，而土體的抗剪強度會有大幅度的降低，墻后土體有滑坡趨勢，這使得擋土墻所受到的壓力更大，擋土墻達(dá)到承載力極限而破壞。
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3.3 力學(xué)分析
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3.3.2 主動土壓力
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破裂角度為:
ψ=φ+α+δ=47.528
由此可知擋土墻抗剪承載力無法承受其后土體產(chǎn)生的主動土壓力的水平分力。
4 擋土墻有限元分析
4.1 模型建立
根據(jù)擋土墻的力學(xué)情況，現(xiàn)采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。在模型中采用 plane42二維面單元模擬土體，采用beam3梁單元模擬擋土墻。其有限元模型如圖2所示。
4.2 材料參數(shù)
土體，采用彈塑性材料力學(xué)模型，其彈性模量為1 GPa，泊松比為0.4，密度(即土體重度)取18 kN/m3，擋土墻為C20素混凝土，采用脆性材料力學(xué)模型，其彈性模量為25.5 GPa，泊松比為 0.2，密度為 22 kN/m3。
圖2 有限元分析模型
4.3 分析結(jié)果
建立有限元分析模型，分析計算得到土體的應(yīng)力云圖如圖3所示。從應(yīng)力云圖可以看出有限元分析的土體產(chǎn)生的壓力與理論方法所計算的結(jié)果是有差距的，但其最大值為393.437 kN，而通過理論計算的主動土壓力為390.77 kN，可以看出理論的計算結(jié)果與數(shù)值模擬計算的結(jié)果比較相符。通過分析，實際的土體壓力也超過了素混凝土墻的抗剪承載力，所以擋土墻是達(dá)到承載力極限而發(fā)生垮塌。
4.4 考慮擋土墻后積水情況的有限元分析
在雨水季節(jié)時，擋土墻如果排水處理不夠完善，則擋土墻后的土體就會發(fā)生積水現(xiàn)象。首先是土體本身的含水量增大，密度增加，由此對擋土墻產(chǎn)生的土壓力增大;其次是土體含水量增大之后，其粘聚力將大幅度降低，土體的抗剪承載力將會大幅度減小，會產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，由此也會破壞擋土墻。因此，在考慮擋土墻后的土體含水時必須同時考慮土體的密度增加引起的土壓力增大和土體抗剪強度的降低。本文僅考慮土體后面積水高度對擋土墻的影響。
有限元分析模型仍然采用前面所使用的模型，只修改墻后土體的力學(xué)參數(shù)，分別考慮墻后土體在飽和、積水和完全積水的情況下的擋土墻的受力情況。
(1)墻后土體飽和時，土體密度增大。一般狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖見圖3，飽狀態(tài)下應(yīng)力云圖見圖4。
圖3 一般狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
圖4 土體飽和狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
(2)墻后土體積水時，不僅土體密度增大，而且墻后有積水，此時應(yīng)該附加水壓力，經(jīng)計算得到如圖5所示。
(3)當(dāng)積水高度不一樣時，墻后產(chǎn)生的壓力變化較大，經(jīng)過計算，呈現(xiàn)為圖6的增長趨勢。
經(jīng)過對擋土墻后積水情況的分析，可以看出當(dāng)積水高度達(dá)到一定的高度時，墻后的壓力將趨于直線增長，積水的高度對擋土墻的破壞性很大，因此在進(jìn)行擋土墻設(shè)計的時候需要充分做好排水工作，特別是在雨季較多的地區(qū)，更應(yīng)該做好排水措施，以避免擋土墻的垮塌事故。
圖5 墻后積水狀態(tài)下土壓力應(yīng)力云圖
圖6 墻后積水狀態(tài)下土壓力隨積水高度的變化
5 結(jié)論
通過以上對垮塌原因的分析，可以看出該擋土墻垮塌的直接原因是由于素混凝土擋土墻抗剪承載力達(dá)到極限狀態(tài)而發(fā)生破壞，間接原因還包括無法排水引起土壓力增大，無溫度伸縮縫致使墻體開裂產(chǎn)生薄弱部位等。在今后的擋土墻修建過程中，一定要經(jīng)過有資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計才能修建，而且要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工，以確保工程質(zhì)量。
［1］ 黃淄濱．高邊坡?lián)跬翂够瑒佑邢拊治觯跩］．水利科技，2006(3)
［2］ 朱伯芳．有限單元法原理與應(yīng)用［M］．北京:中國水利水電出版社，1998
［3］ 趙明華，俞曉．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］．武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2000
［4］ 賴瓊?cè)A．邊坡?lián)跬翂Φ脑O(shè)計方法探討［J］．廣東水利水電，2001(4)
［5］ 鄭剛．水泥土重力式擋墻傾覆破壞的分析［J］．巖土力學(xué)，2001，22(2)
［6］ 王渭漳，吳亞中．重力式擋土墻墻背土壓力及其分布的研究［J］．中南公路工程，1992(1)
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