控制挡土墙稳定水位组合的分析

钟恒昌 徐 飞 刘占明

（1中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001 2江苏省交通规划设计院有限公司 南京210037 连云港市临洪水利工程管理处 连云港 222001）

控制挡土墙稳定水位组合的分析

钟恒昌1徐 飞2刘占明2

（1中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001 2江苏省交通规划设计院有限公司 南京210037 连云港市临洪水利工程管理处 连云港 222001）

通常挡土墙抗滑稳定计算是根据工程施工条件及调度运用情况，直接采用工程的几个特征水位组合作为控制挡土墙稳定计算水位组合进行分析的，然而这种水位组合往往并不是挡土墙抗滑稳定计算的最不利组合，最危险工况可能出现在特征水位区间内的某个水位组合。本文以各梯级水位组合下的挡土墙抗滑稳定计算为例，分析控制挡土墙稳定计算水位组合，对完善挡土墙设计具有一定的意义。

挡土墙 抗滑稳定 水位组合

1 引言

水利水电工程中通常需要设置挡土墙用来承受土压力，防止土体塌滑，按其所在位置、功能要求分为岸墙、翼墙和挡墙等类型，有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、空箱式等。作用在水工挡土墙上的荷载（自重、附加荷载、土压力、水重、静水压力、扬压力、淤沙压力、风浪压力、冰压力、地震荷载等）可分为基本荷载和特殊荷载。荷载基本组合下计算情况有完建情况、正常挡水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况；荷载特殊组合下计算情况有施工情况、校核洪水位情况、地震情况、墙前水位降落情况。水工挡土墙在建成及运用期的各种墙前后特征水位作用下，其作用于墙身的静水压力、土压力及作用于基底的扬压力、地基反力等都不同，其稳定分析要求根据工程调度运用工况、地基情况、结构特点及施工条件进行计算，在设计、校核、建成和正常运用等各种情况下都满足整体稳定、变形和各部位结构的强度要求。

通常的挡土墙抗滑稳定计算是根据工程施工条件及调度运用情况，直接采用工程的几个特征水位组合作为控制挡土墙稳定计算水位组合进行分析，由于在不同的墙前后特征水位作用下，其作用于墙身的静水压力、土压力与作用于基底的扬压力、地基反力等都不同，所以特征水位组合往往并不是挡土墙抗滑稳定计算的最不利组合，最危险工况可能出现在特征水位区间内的某个水位组合。

2 计算分析

挡土墙整体稳定验算主要包括抗滑稳定验算、抗倾覆稳定验算和地基承载力验算，对于土基上的水工挡土墙，抗滑稳定、地基平均应力和地基应力大小比控制是稳定验算的主要内容。为了方便计算，本文采用高5m和高8m悬臂式挡土墙在各梯级水位组合下的稳定验算为例进行分析，高5m、8m悬臂式挡土墙断面结构见图1。

挡土墙墙后填土土料的选择根据防渗、排水要求及土料来源等因素综合考虑，条件允许情况下尽量选取抗剪强度指标高的土料，处于防渗段的填土宜选择粘性土料，非防渗段可选择无粘性土料。粘性土料经碾压密实后土体中的水难以形成自由水头作用面，墙后静水压力强度大打折扣，墙后地下水位以下的水土压力通常按水土合算形式考虑，土抗剪强度采用饱和不排水抗剪强度指标；无粘性土料振实后墙后土体中静水压力强度变化不大，墙后地下水位以下的水土压力通常按水土分算形式考虑，土抗剪强度采用有效抗剪强度指标。为了反映两种极端土料下挡土墙各梯级水位组合的稳定情况，对水土分算和水土合算分别进行分析。

图1 高5m、8m悬臂式挡土墙断面结构图

表1 5m挡土墙各梯级水位组合下的稳定验算成果表

土压力的计算是挡土墙设计中的一个关键问题，但墙后土压力在工程界至今仍无法精确计算。土压力的大小和分布，除了与填土的性质有关外，还和墙体的位移方向、位移量、土体与结构物的相互作用以及挡土结构物的类型有关。常用的土压力计算理论有郎肯土压力理论和库仑土压力理论。郎肯土压力理论使用简单、方便，但适用条件有限；库仑土压力理论适合于比较广泛的边界条件，但计算稍复杂。作用在挡土结构上的土压力，按挡土结构的位移方向、大小及土体所处的三种极限平衡状态，可分为三种，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。一般建在土基上的挡土墙墙后土压力为主动土压力，对于计算主动土压力，各种土压力计算理论的差别不大。

为了反映各高程段水位组合下挡土墙稳定成果指标，计算取自墙后地面以下0.5m至墙基底，墙前、墙后水位按每0.5m一档，考虑降雨及渗流滞后的影响，墙前后水位差取0.5m，从而得到系列水位组合：5m挡土墙共8组，5m挡土墙共14组。

挡土墙稳定验算计算参数根据工程实际的一般情况取用，主要计算参数：墙后填土湿容重19.0kN/m3，饱和容重20.0kN/m3，浮容重10.0kN/m3，水土分算水上内摩擦角30°，水下内摩擦角33°；水土合算水上等值内摩擦角30°，水下等值内摩擦角26°；基底与地基间摩擦系数f=0.35。高5m挡土墙各梯级水位组合下的稳定验算成果见表1，高8m挡土墙各梯级水位组合下的稳定验算成果见表2。

从高5m、8m悬臂式挡土墙各梯级水位组合下的稳定验算成果可以看出：（1）随水位组合的水位抬高，挡墙平均基底应力逐渐减小，一般施工完建期是地基承载力验算的控制工况时期；（2）随水位组合的水位抬高，挡墙基底应力最大值与最小值比规律性较差，与挡墙结构尺寸有关；（3）随水位组合的水位抬高，在采用水土分算计算墙后水平荷载时，挡墙的抗滑稳定安全系数基本逐渐减小，但最小值不是最高水位组合情况下产生的；在采用水土合算计算墙后水平荷载时，挡墙的抗滑稳定安全系数先小后大，最小值是产生较低的水位组合情况附近。随水位组合的水位变化，挡土墙抗滑稳定安全系数走势曲线详见图2。

表2 8m挡土墙各梯级水位组合下的稳定验算成果表

图2 抗滑稳定安全系数K曲线图

3 结论

影响挡土墙稳定性因素很多，如工程施工条件、调度运用情况、墙后填土土料、地基土特性、挡土墙自身结构尺寸和荷载情况等。挡土墙稳定计算水位组合的不同直接影响墙前静水压力、墙后水土压力和墙身有效自重等的变化，这些变化对挡土墙稳定性的影响有利有弊。本文仅以墙高5m和8m悬臂式挡土墙在各梯级水位组合下的稳定验算为例进行分析，初步探讨不同水位组合的无粘性土（水土分算）和粘性土（水土合算）对挡土墙稳定性综合影响趋势，绘成挡土墙抗滑稳定安全系数走势曲线图，寻求挡土墙抗滑稳定计算的最不利水位组合，对挡土墙设计具有一定参考意义

（专栏编辑：徐 攀）