河道擋土墻的穩定性設計及工程應用研究

李 兵

(安徽省樅陽長江河道管理局，安徽 銅陵 246700)

0 引 言

2016年以來，安徽省樅陽縣全面實施災后水利薄弱環節建設性治理項目，著重對包括沿江易澇區進行河道治理，新建、改擴建排澇泵站。水利水電工程作為治理項目的重要一環，水利設施中防洪、抗旱工作不容輕視，堤防工程則是保證河道充分發揮防洪抗澇的關鍵[1-3]。擋土墻作為護坡施工技術，在不同的河道堤防工程中得到廣泛應用。黃濤[4]提出了一種改進漿砌石擋土墻，以提高施工質量控制措施。陳莉等[5]對自嵌式生態磚擋土墻進行改進，縮短了傳統擋土墻的建設工期，降低了造價。目前，由于自然氣候多變，河道水量波動幅度較大，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，對河道擋土墻進行改進設計，保證其穩定性，并在實際工程中進行應用。

1 河道擋土墻穩定性設計

擋土墻是一種具有多樣性的支撐構造體，用來抵御側向壓力及堤防墻后土體的坍塌。相比于陸地擋土墻，河道擋土墻會有部分長期淹沒在水中。擋土墻可以按照不同的側重點進行分類。常見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]。擋土墻設計過程中，最重要的一環就是土壓力計算，關系著墻后填土以及地基穩定性，同時還需保證土壓力不會使墻體變形。目前的土壓力理論以庫倫土壓力和朗肯土壓力為主，通過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域。但由于河流及河流周邊沙地具有較差的地質環境，以及抗震要求，對土壓力的求解更為復雜。尤其對處于水體內長期淹沒狀態的擋土墻，穩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鍵，根據位移情況不同，具有3種不同性質土壓力。見圖1。

圖1 3種土壓力性質圖

圖1為3種不同性質土壓力示意圖。主動土壓力指當擋土墻向外位移時，土壓力減少使墻后土體破裂下滑處于極限平衡狀態時作用于墻背的土壓力。被動土壓力指當擋土墻擠壓土體導致土壓力增大，使得土體上移處于極限平衡狀態時作用于墻的抗力。靜止土壓力則指擋土墻靜止不動時，土壓力介于兩者之間的力。現有的土壓力計算基本只考慮水平填土后的情況，但河道邊坡、擋墻基本為半淹沒的傾斜狀態，在地質活動頻繁、地震災害頻發地區，擋土墻在做好河道防護的同時，還需對地震災害有良好的抗性[9-11]。因此，研究將橡膠顆粒土(Rubber Granular Soil,RGS)融入擋土墻中，對傳統擋土墻改進，以增強擋土墻穩定性、抗震性，并進行工程應用。RGS擋土墻內部填充物具有兩種完全不一樣性質的材料，因此力學結構相比傳統擋土墻更為特殊。RGS擋土墻橫截面模型示意圖見圖2。

圖2 RGS擋土墻示意圖

圖2為RGS擋土墻的物理模型，RGS的力學特性是擋土墻抗震抗壓的關鍵所在。在RGS擋土墻中，橡膠對于砂石的比例，決定了擋土墻的抗震減震以及保障穩定性的關鍵因素。當橡膠含量較少時，會導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，降低了混凝土的塑性變形量，從而大大降低滯回阻尼，增大穩定性。見表1。

表1為不同橡膠含量下RGS力學參數。不同的橡膠含量中，內摩擦角最大的是10%橡膠含量，而50%橡膠含量彈性模量最小的同時，內摩擦角只有14.64°。當擋土墻中填土發生破壞時，墻面會發生滑動，擋土墻土體的破壞變形過程見圖3。

表1 不同橡膠含量的RGS參數

圖3 土體破壞變形模型

在圖3中，當填充的土顆粒移動時，使土楔體發生位移，不但有水平位移，還會發生向上的位移，使擋土墻變寬。填充土破壞會導致土楔體滑動，土楔體向上位移，便會造成局部河道塌方等災害。土體屬于庫倫材料，同時土體的破壞服從流動法則，所以土楔體不但沿著平行于滑裂面方向滑動，還會沿著滑裂面的法線方向滑動，當填充土移動破壞時，土楔體按照剪切變形移動破壞。由于擋土墻土界面也為一個滑裂面，因此存在速度間斷，但墻土界面材料不能服從流動法則，便將擋土墻與填充土的相對速度以界面黏結劑的概念確定。因此，按照流動法則建立速度場模型，速度場見圖4。

圖4 速度場結構圖

在圖4中，為按照流動法則建立墻土模型失效機構，由圖4的幾何關系可以得到土楔體速度與擋土墻相對速度公式：

(1)

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

此外，當擋土墻滑動時，外部負載功率等于荷載大小與荷載對象速度之間的“矢量積”為穩定系數。采用能量法定義河道擋土墻的抗滑穩定系數，表達式為：

(2)

系數求解過程與庫倫土壓力求解類似。而擋土墻與土體的相對柔度，同樣對擋土墻防震減震的動力響應有關系，因此引入相對柔度公式進行計算：

(3)

式中：Gs為剪切模量；H為填土高度；Dw為墻體單位長度內的抗彎剛度。

2 河道擋土墻穩定性實驗分析及工程應用

2.1 RGS擋土墻不同含量以及相對柔度分析

對河道的RGS擋土墻穩定性分析，從擋土墻的墻土相對柔度、橡膠顆粒含量、橡膠顆粒土的不同換填位置對擋土墻的地震動力響應3個方面進行分析和工程應用。當擋土墻體積過大時，更容易發生滑動破壞，高度與厚度較小的擋土墻則容易發生轉動破壞，尤其是河道擋土墻更應受到重視。RGS擋土墻在不同墻土相對柔度下，不同含量橡膠對擋土墻的抗震性能也有所不同。圖5為在EI-Centro地震波和Kobe地震波時不同柔度和峰值加速度與擋土墻頂底位移差之間的關聯曲線圖。

在圖5中，RGS擋土墻中的橡膠含量為20%，當峰值加速度在0.5g之前，頂底位移差對柔度的關聯性并不大；但當峰值加速度大于0.5時，不同柔度下的頂底位移差出現大幅度差異。柔度為5.068的頂底位移差最小；當柔度在6～8時，相比柔度在10時的頂底位移差下降約30%；當柔度在5.068時，相比柔度為10時的頂底位移差下降30%～50%。另外，不同橡膠含量在面對EI-Centro地震波與Kobe地震波時，對頂底位移差關聯程度見圖6。

圖5 柔度、峰值加速度與頂底位移差關聯曲線

圖6 柔度和橡膠顆粒含量與頂底位移差關聯圖

從圖6中可看出，當橡膠顆粒占比10%時，頂底位移隨著柔度的變化并無明顯差別；當橡膠顆粒超過10%時，頂底位移差有明顯的下降。未使用橡膠顆粒混凝土與RGS混凝土的柔度頂底位移差擬合曲線中，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底位移差受到柔度變化的敏感性，有效提高了擋土墻的抗震能力。相對柔度不斷加大時，使用橡膠顆粒的擋土墻改善效果更好，當輸入的地震波是EI-Centro時，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，頂底位移差下降50%～60%。輸入地震波為Kobe且橡膠顆粒含量為20%時，在柔度為5.068下頂底位移差降低27%，在柔度10下，頂底位移差降低17%。

橡膠顆粒土的力學性能指標也與其他因素相關，其中橡膠的占比是主要的因素。當在基巖上輸入EI地震波和Kobe地震波時，對不同橡膠含量的RGS擋土墻的地震動力響應規律見圖7。

從圖7中可以看出，當地震波的峰值加速度小于0.5g時，未使用橡膠的傳統擋土墻與RGS擋土墻的頂底位移差區別不大；但當峰值加速度大于0.5時，傳統擋土墻的頂底位移達到0.12，橡膠含量50%的RGS頂底位移在0.06，橡膠含量20%的RGS為0.08。隨著橡膠含量不斷增大，擋土墻的頂底位移差以一種單調遞減的趨勢縮小，但不以線性趨勢減小幅度。當填充10%的RGS擋土墻，頂底位移差下降約3%；填充量為20%時，頂底位移差下降幅度達到18%～20%；當橡膠含量繼續增大，填充量達到30%～40%時，相比20%的填充量，頂底位移差的降幅僅有2.8%。當橡膠-土填充量各50%時，頂底位移差只下降約30%～40%左右。而在不同橡膠含量的應力云圖則體現出當橡膠含量為20%時，墻底應力值相比傳統擋土墻下降10%～20%；橡膠含量繼續提高時，墻底應力值卻出現上下波動情況。因此，從擋土墻的頂底位移差以及墻底應力來看，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，RGS擋土墻的性能以及經濟指標最優。

圖7 橡膠含量不同的RGS擋土墻頂底位移差關系圖

2.2 RGS擋土墻實際工程應用

在對相對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。但在實際工程中，不需要將全部的土體進行替換，便能取得良好的避震減震效果，同時還可以解決過高的經濟消耗。在基巖輸入不同峰值加速度的EI地震波以及Kobe地震波，選取性價比相對最高的20%含量的RGS擋土墻，對不同位置替換橡膠土擋土墻的頂底位移差曲線進行分析，見圖8。

圖8 橡膠土位置和峰值加速比與頂底位移差的關聯圖

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頂底位移差的影響，但隨著峰值加速度的變化以及填充位置的不同，會存在一定差異。當峰值加速度小于0.3時，全部填充的RGS擋土墻與傳統擋土墻的頂底位移差相近，在表面和底層填充20%橡膠的RGS擋土墻的頂底位移差卻出現大于傳統擋土墻的情況。當峰值加速度大于0.3時，傳統擋土墻的頂底位移差隨著峰值加速度迅速增大，而改進的RGS擋土墻，不論全部替換還是局部替換，擋土墻的頂底位移差相比傳統擋土墻均有下降。在峰值加速度為0.5時，頂底位移差相對不大；在峰值加速度為0.7和0.9時，在Kobe地震波下，中部與底層使用20%的RGS擋土墻的頂底位移差更低，頂底位移差下降約26%，能夠取得更加優秀的抗震效果。在EI地震波中，表層裝填的RGS擋土墻與傳統擋土墻的頂底位移差相差無幾，抗震效果最好，頂底位移差最低的是底層裝填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底位移差相差不多。底層替換的擋土墻相比全部替換的擋土墻，頂底位移差下降約11%。可以看出，RGS擋土墻由于使用兩種完全不同的材料，使力學特征差異過大。當地震波穿過擋土墻時，會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擋土墻更好。

而不同的填充方式也能改變應力大小，懸臂式擋土墻的墻底處是危險系數最大的部分。因此，針對墻底應力進行分析，結果見圖9。

圖9 填充位置與墻底應力關聯圖

由圖9可以看出，相比Kobe地震波，EI地震波的墻底應力更小。Kobe地震波下的填充方式，應力在10.5以上，EI地震波的應力在8～10之間。在Kobe地震波中，未裝填的墻底應力與表面填充的墻底應力相差不大，墻底應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，墻底應力最高的是傳統擋土墻。使用RGS擋土墻中，表面填充的墻底應力最大，墻底應力最小的同樣也是在中部填充的RGS擋土墻。可以看出，部分填充的橡膠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，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-土系統的地震反應，還可以反射地震波，進一步提高抗震性能。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，但因為彈性模量低于其他土層，從而出現了墻底應力比中部填充略大的情況。在河道的沖刷下，也會出現基底脫空情況，因此選擇不同的填土材料與20%含量的RGS擋土墻對比分析抗傾覆穩定性。脫空距離與水平位移對比圖見圖10。

圖10 不同黏土與RGS土的脫空位移關系圖

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。可以看出，隨著脫空距離增大，所有填料下的擋土墻都會產生位移，并且全部背離填土方向，但增長幅度各有不同。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兩個擋土墻，并且RGS擋土墻的位移保持最小在100mm以內。因此，綜上得出RGS擋土墻優于傳統填料的擋土墻。

3 結 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定則是堤防工程的首要目標。因此，研究基于橡膠顆粒的RGS擋土墻，對傳統擋土墻的穩定性進一步加強。實驗結果表明，當橡膠顆粒超過10%時，頂底位移差有明顯的下降。對兩種不同地震波情況下的實驗表明，橡膠含量為20%的RGS擋土墻綜合性能最好，在柔度5.068下頂底位移差降低27%；在柔度10下，頂底位移差降低17%。從擋土墻頂底位移差和墻底應力實驗中，20%橡膠占比的RGS擋土墻相比傳統擋土墻經濟指標優秀，抗震性能以及水土保持強度更高。