穩定滲流條件下擋土結構水、土壓力分布探討

李曉瑋，劉翠娜

（1. 北京市地質研究所，北京100120；2. 科學出版社，北京 100717）

穩定滲流條件下擋土結構水、土壓力分布探討

李曉瑋1，劉翠娜2

（1. 北京市地質研究所，北京100120；2. 科學出版社，北京 100717）

在暴雨造成地下水位比較淺的情況下，由于墻前后水頭差引起的滲流常常使擋土結構發生破壞。本文選取了穩定滲流條件下，分別采用土-水整體作為隔離體以及土骨架作為隔離體進行分析，歸納總結了不同水位以及不同類型的土體土、水壓力計算，進而探討擋土結構兩側土、水壓力分布規律。當墻前后以及基底土為均質的粘性土時，對于板樁等懸臂式擋土結構，由于底部寬度遠小于長度，故可將底部段造成的水頭損失忽略。此時，當水頭差足夠大，滲流作用造成土體發生流土時，板樁一側向上滲流范圍內對擋土結構無被動土壓力，另一側向下滲流范圍內對擋土結構的主動土壓力增大為靜水工況時主動土壓力的2倍。當墻前地下水位平基底，基底為透水地基，墻后為均質粘性土時，擋土構件側面、底部所受的水壓力均為0。

穩定滲流；擋土結構；土壓力；水壓力

0 前言

在邊坡和基坑工程中，各種擋土結構的穩定性是保證工程安全的前提，穩定性計算通常采用朗肯和庫倫土壓力理論，其中朗肯理論是由一點的極限平衡出發，求出應力及其分布，進而計算土壓力合力。庫倫理論是根據墻背與滑動面之間的土楔整體極限平衡狀態，首先求出土壓力合力，需要時再計算應力及分布（李廣信等，2013）。對于墻背光滑垂直、填土水平的情況使用朗肯理論較為方便。本文即采用朗肯理論進行土壓力計算。

在有靜水位的情況，由于增加了靜水壓力使得擋土結構上的作用力發生了變化，并且靜水壓力常常不利于擋土結構的穩定。尤其在暴雨造成地下水位比較淺工況下，由于墻前后水頭差引起的滲流使得擋土結構的水土壓力計算更為復雜，更容易使擋土結構發生破壞。向下的滲透力增加了主動土壓力，向上滲透力減少了被動土壓力，所以實際失事的情況可能是：墻體由于被動側抗力不夠而傾覆（李廣信，2010）。本文選取了穩定滲流條件下，分別采用土-水整體作為隔離體以及土骨架作為隔離體進行分析，運用水土分算方法，歸納總結了不同水位以及不同類型的土體土、水壓力計算，進而探討擋土結構兩側土水壓力分布規律。

1 計算方法

在考慮滲流作用，分析土體受力平衡或者穩定性時，可以有兩種取隔離體的方法：一是考慮土-水整體作為隔離體，此時應用土體飽和重度與作用于土體周邊邊界上的水壓力相組合；二是把土骨架當做隔離體，用土體的浮重度γ′與滲透力j相組合（李廣信等，2013）。

土-水整體作為隔離體是對土骨架和孔隙水整體進行受力分析，整體受到重力，以及向上的水壓力。首先計算整體豎向總壓力，在計算孔隙水壓力，進而計算出土體豎向有效應力，再乘以水平土壓力系數求出水平土壓力。

土骨架作為隔離體是對土骨架進行受力分析，土骨架受到浮力γ′以及水通過土間隙形成的滲透力j。直接求出土體豎向有效應力，再乘以水平土壓力系數求出水平土壓力。需要時再根據水頭高度求出孔隙水壓力。

2 計算模型1

重力式擋土墻，墻前后以及基底土為均質粘性土。墻前（左側）地下水位與d點同高，墻后（右側）地下水位與墻頂a同高（圖1）。ΔH為總水頭損失，Δh1為cd段總水頭損失，Δh2為ab段總水頭損失，Δh3為bc段總水頭損失。則

總水頭損失：

圖1 計算模型1Fig.1 Computational model 1

2.1 土-水整體作為隔離體

對土骨架和孔隙水整體進行受力分析，整體受到重力，以及向上的水壓力。

（1）左側土體對擋墻作用力分析

擋墻左側土體豎向總應力計算：

擋墻左側孔隙水壓力計算：

擋墻左側土體豎向有效應力計算：

左側土體對擋土結構被動土壓力計算：

其中：Ka=tan2（45+φ/2）

（2）右側土體對擋墻作用力分析

擋墻右側土體豎向總應力計算：

擋墻右側孔隙水壓力計算：

擋墻右側土體豎向有效應力計算：

右側土體對擋土結構主動土壓力計算：

其中：Ka=tan2（45-φ/2）

2.2 土骨架作為隔離體

對土骨架進行受力分析，土骨架受到浮力γ′以及水通過土間隙形成的滲透力j。

（1）左側土體受到向上的滲流作用

左側土體豎向有效應力計算：

左側土體對擋土結構被動土壓力計算：

則：Ppd=0，Ppc=Kp（γ′L-γwΔh1）

左側孔隙水壓力計算：

（2）右側土體受到向下的滲流作用

右側土體豎向有效應力計算：

右側土體對擋土結構主動土壓力計算：

右側孔隙水壓力計算：

可知兩種方法計算結果一致。擋墻兩側水壓力、土壓力分布見圖2，基底水壓力分布見圖3。

3 計算模型2

圖2 擋墻兩側水、土壓力分布Fig.2 Distribution of water and earth pressure on retaining wall

圖3 基底水壓力分布Fig.3 Base water pressure distribution

板樁擋土結構前后以及基底土為均質粘性土（松崗元，2001）。墻前（左側）地下水位與d點同高，墻后（右側）地下水位與樁頂a同高（圖4）。ΔH為總水頭損失，Δh1為cd段總水頭損失，Δh2為ab段總水頭損失。當采用板樁等懸臂式擋土結構時，由于底部bc段寬度遠小于H，將底部bc段造成的水頭損失Δh3忽略，即b、c兩點水頭高度相等

總水頭損失：

圖4 計算模型2Fig.4 Computational model 2

用土骨架作為隔離體的方法計算墻前后水、土壓力：

對土骨架進行受力分析，土骨架受到浮力γ′以及水流動對土的滲透力j。根據2. 2所得的結論：

左側土體對擋土結構被動土壓力計算：

Ppd=0，Ppc=Kp（γ′L-γwΔh1）

左側孔隙水壓力計算：

Pwd=0，Pwc=γw（L+Δh1），

右側土體對擋土結構主動土壓力計算：

Paa=0，Pad=Ka（γ′H+γwΔh2） ，

右側孔隙水壓力計算：

Pwa=0，Pwb=γw（H-Δh2），

板樁兩側水壓力、土壓力分布見圖5。當滲流力足夠大，滲流作用造成土體發生流土時，即：

此時：

Ppc=Kp（γ′L-γwΔh1）=0，即滲流范圍內左側土體對擋土結構無被動土壓力。

Pad=Ka（γ′H+γwΔh2）=2Kaγ′H，即滲流范圍內右側土體對擋土結構的主動土壓力增大為靜水工況時主動土壓力的2倍。

圖5 板樁兩側水、土壓力分布Fig.5 Distribution of water and soil pressure on both sides of piles

4 計算模型3

重力式擋土墻，基底為透水地基，墻后為均質粘性土（高大釗，2010）。墻前（左側）地下水位與基底c同高，墻后（右側）地下水位位于m點（圖6）。ΔH為總水頭損失，Δh2為md段水頭損失。

總水頭損失：

ΔH=Δh2=H2

mb段水力坡降：

圖6 計算模型3Fig.6 Computational model 3

4.1 土-水整體作為隔離體

豎向總應力計算：

孔隙水壓力計算：

Pwa=0，Pwd=0

豎向有效應力計算：

主動土壓力計算：

4.2 土骨架作為隔離體

ΔH2為總水頭損失，水力坡降：土體豎向有效應力：

土體對支擋結構主動土壓力：Paa=0，Pad=Ka（γH1+γsatH2）

孔隙水壓力：

Pwa=0，Pwd=0

圖7 擋墻右側水、土壓力分布Fig.7 Distribution of water and earth pressure on the right of retaining wall

5 結論

本文利用朗肯理論分別用土-水整體作為隔離體以及土骨架作為隔離體分析計算穩定滲流條件下擋土結構所受水、土壓力?？芍摋l件下以土骨架作為隔離體計算方法較為方便。

當發生穩定滲流時，與靜水位相比，擋土結構水頭高的一側發生向下滲流，增大了土壓力，減小了水壓力；水頭低的一側發生向上滲流，減小了土壓力，增大了水壓力。

當墻前后以及基底土為均質的粘性土時，對于板樁等懸臂式擋土結構，由于底部寬度遠小于長度，故可將底部段造成的水頭損失忽略。此時，當水頭差足夠大，滲流作用造成土體發生流土時，板樁一側向上滲流范圍內對擋土結構無被動土壓力，另一側向下滲流范圍內對擋土結構的主動土壓力增大為靜水工況時主動土壓力的兩倍。

當墻前地下水位平基底，基底為透水地基，墻后為均質粘性土時，擋土構件側面、底部所受的水壓力均為零。

李廣信，張丙印，于玉貞，2013. 土力學[M]. 北京：清華大學出版社，68-71，89-91.

李廣信，2010. 巖土工程50講—巖壇漫話（第二版）[M]. 北京：人民交通出版社.

松崗元，2001. 土力學[M]. 北京：中國水利水電出版社.

高大釗，2010. 巖土工程勘察與設計—巖土工程疑難問題答疑筆記整理之二[M]. 北京：人民交通出版社.

中華人民共和國住房和城鄉建設部，2012. 建筑基坑支護技術規程（JGJ 120-2012）[S].

中華人民共和國住房和城鄉建設部，2013. 建筑邊坡工程技術規范（GB 50330-2013）[S].

The Study on the Distribution of Water and Soil Pressure on Retaining Structure under Steady Seepage Condition

LI Xiaowei1, LIU Cuina2

(1.Beijing Institute of Geology, Beijing 100120; 2. China Science Publishing & Media Lab, Beijing 100717)

The seepage of the retaining wall due to the difference between the front and the back of the wall often causes the failure of the retaining structure, especially in the case of shallow water caused by heavy rainfall.Under the steady fl ow condition, this paper takes the soil-water as a whole body and isolated soil skeleton as an isolator, and summarizes the calculation of different level and different soil and water pressure, and then discusses the retaining structure on both sides of the soil, water pressure distribution. When the soil around the wall and the foundation soil are homogeneous and cohesive soil, the soil loss due to the bottom of the cantilever retaining structure is much smaller than that of the length of the retaining wall. At this time, when the water head difference is large enough, the seepage caused by soil body fl ow will occur when the pile side upward seepage in the range of retaining structure of passive earth pressure, 2 times of active earth pressure on retaining structure for increasing hydrostatic condition of active earth pressure on the other side of the downward fl ow range. When the water level in front of the wall is fl at, the basement will be pervious to water, and the water pressure on the side and bottom of the retaining member is zero.

Steady seepage; Retaining structure; Earth pressure; Water pressure

A

1007-1903（2017）03-0036-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.007

李曉瑋（1985- ），男，碩士，工程師，主要從事地質災害防治等方面研究。E-mail:51350737@qq.com