墙前水位变化对挡土墙的影响试验研究

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(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

作为路基支挡结构的挡土墙是路基的一部分，用来抵挡由路基填土、路面结构和交通荷载形成的侧向土压力。在山区公路建设中，因石料来源广，施工简单，浆砌重力式挡土墙的应用最为广泛。公路挡土墙失稳是公路建设运营的重大事故，轻则影响交通运输、资金浪费、工期延长，重则造成严重的交通事故，带来巨大的生命财产损失。

引发公路挡土墙失稳的原因很多，山区公路大多沿河而建，公路挡土墙本身作为河岸的一部分，随着国民经济的高速发展,社会对能源的需求增大,具有丰富水利资源的山区的水电事业得到快速发展,山区水电的高速发展给当地经济注入了新的活力,但对已有的交通设施产生巨大影响。库区水位上涨时，既有非浸水挡土墙变成浸水挡土墙，由于墙后填土的含水率增加、抗剪强度降低等因素的影响，挡土墙的抗滑移、抗倾覆稳定性减弱。同时由于河水浸泡及渗流作用引起填料颗粒流失的影响，最终造成路基沉降、路面开裂。因此，既有非浸水挡土墙变为浸水挡土墙稳定性的研究有着非常重要的意义。国内外许多专家学者对挡土墙的水害进行了研究。郑颖人[1]、唐晓松[2]等从孔隙水压力作用方面着手分析边坡的稳定性情况；刘琦[3]等从墙身构造和墙后排水设计着手进行分析;刘俊新[4]、沈水进[5]、顾成状[6]等对强降雨条件下边坡的失稳规律与成灾机理进行分析；郑颖人[7]等分析了河库水位下降时渗透力及地下水浸润线的计算方法。吴宝和[8]在分析地表水、地下水对边坡稳定性影响的基础上，对边坡的防治技术进行分析。王玉萍[9]对水毁路基的防护方法进行了研究。这些现有研究主要是以新建浸水挡土墙的设计为主，涉及到土压力、挡土墙结构、排水措施等多方面内容，但对既有挡土墙因水位上升而变为浸水挡土墙的研究很少。

为深入研究浸水挡土墙的失稳和破坏形式，试验设计并制作了衡重式模型挡墙，测试了模型挡墙在水位上升、水位下降时的土压力、累积变形和滑移倾覆情况，获得了挡土墙在浸水条件下的土压力变化规律、失稳破坏形式，并对挡土墙的最不利水位进行了探讨。

1 模型设计与试验方法

1.1 模型设计

试验模型以330国道莲都段改扩建工程为原型，按1∶5的比例设计，如图1所示。填料的物理力学指标见表1。模型挡墙在一个内部尺寸为2.5 m(长)×1 m(宽)×1.8 m(高)的模型箱以人工夯实方法制作，每层夯实厚度控制为10 cm，并用环力法检测填料的压实度，控制填料的压实值不低于93%。图2为安装测试元件后的模型挡墙。

图1 模型设计(单位：cm)

表1 填料的物理力学性质含水率/%比重Gz液限ωL/%塑限ωP/%黏聚力C/kPa内摩擦角ϕ/(°)最大干密度/(g·cm-3)7 32 6932 3314 524321 81

图2 模型挡墙

1.2 试验方法

为方便试验数据分析，在此定义相对墙高ξ和相对水位R的概念：

(1)

(2)

式中：h为测点到墙顶距离;hw为水位高度;H为模型挡墙墙高。

试验利用液压千斤顶(量程60 t)通过填土上方满铺垫块的方式均布加载。试验分3步进行：首先在墙顶施加20 kPa的均布荷载，测量无水条件下(普通工况)挡墙内各点的水平土压力、竖向土压力和挡墙位移。再向墙前空间注水，按相对水位为0.2、0.4、0.6、0.8、1逐级提高墙前水位模拟水位上升，蓄水后观察水位变化，每级水位稳定后测量挡土墙各点的受力情况及墙身位移变化。然后按相对水位依次为1、0.8、0.6、0.4、0.2的步骤降低水位，待水位稳定后测量各级水位下挡土墙各点的受力情况及墙身位移变化。第2步和第3步试验时，均保持墙顶荷载为20 kPa。

2 试验结果分析

2.1 水位上升时的测试结果

图3a为不同相对水位条件下，沿相对墙高方向的墙内水平土压力值分部曲线图，如图3a所示，随着埋置深度的增大，挡土墙上墙范围内的墙内水平土压力值逐渐变大，下墙范围内的墙内水平土压力值也呈现相同趋势。并且在墙高约1.2 m处出现突变现象，这与模型挡墙的墙型选择有关，本试验采用的是衡重式模型挡墙，由于衡重台的影响，衡重台上方各点的墙内水平土压力值远大于衡重台下方各点的墙内水平土压力值。图3b为相对水位变化时各测点的水平土压力变化曲线图，各测点数据表明，在恒定荷载(20 kPa)作用下，随着墙前水位的逐级增加，挡土墙墙内水平土压力呈逐渐增大的趋势，且增幅明显。

图4为水位上升时墙内竖向土压力变化曲线图，如图4所示，在水位逐级上升的过程中墙内各点竖向土压力值和水平土压力一样，也呈现逐渐增大的趋势，只是墙内各点的竖向土压力没有水平土压力变化明显。

图5为水位上升时墙内位移变化曲线图，图5给出了水位逐级上升过程中挡土墙墙顶、墙底的位移变化。随着水位升高，挡土墙墙顶及墙底位移呈现增大趋势，当水位高度小于0.6倍墙高时，墙顶墙底位移变化缓慢，在0.6～0.8倍墙高水位时，墙顶墙底位移变化幅度最大，当挡土墙水位高度大于0.8倍墙高时，墙顶墙底位移变化幅度再次减小。在最高水位处，墙顶与墙底之间的位移差达到最大值。

图3 水位上升时墙内水平土压力变化

图4 水位上升时墙内竖向土压力变化

图5 水位上升时墙内位移变化

2.2 水位下降时测试结果

图6为水位下降时墙内水平土压力变化曲线图，图7为水位下降时墙内竖向土压力变化曲线图。由图6、图7可知，在恒定荷载(20 kPa)作用下，随着墙前水位的逐级下降，挡土墙墙内水平土压力及竖向土压力呈逐渐减小的趋势，总体趋势上看，同水位上升时一样，相对水位越高，墙内水平、竖直土压力值越大。其中与水位上升时不同的是挡土墙沿墙高方向各点处的水平土压力在0.8倍墙高水位处取得最大值。这是由于相对水位最高时，水位稳定条件下，墙前墙后水位高度相等，不存在渗流作用，而由最高水位下降到0.8倍墙高水位时减小的墙内水平土压力值小于由渗流作用产生的动水压力值。

图6 水位下降时墙内水平土压力变化

图7 水位下降时墙内竖向土压力变化

图8为水位下降时墙内位移变化曲线图。水位开始下降到水位下降到0.8倍墙高处过程中，墙顶、墙底位移均变化缓慢，由0.8倍墙高水位到0.6倍墙高水位过程中，墙顶、墙底位移变化速率增大，而后墙顶、墙底位移变化速率放缓，墙顶、墙底位移在水位下降为0倍墙高时达到最大值。

图8 水位下降时墙内位移变化

2.3 分析与讨论

2.3.1 浸水挡墙水土压力计算

衡重式挡土墙是山区公路建设中广泛使用的墙型，结构上可分为上墙、下墙两部分，中间设有一衡重台，可利用其衡重台上的填土重力使墙身整体重心后移，使基底应力趋于均衡，从而增加了墙身的稳定性。这样可适当提高挡土墙的高度。衡重式挡墙的土压力应分两部分进行计算，上墙多为俯斜式，墙背墙角较大，墙背土体内会出现第2破裂面，上墙土压力按第2破裂面理论计算[10]。下墙土压力可用墙背延长法采用库伦土压力计算。

山区公路挡墙往往依山傍水而建，挡土墙即为河岸的一部分，发生强降雨时，河道水位快速上升。泄洪或水库开闸放水时，河道水位快速下降。使挡土墙前后有水位差存在，形成相应的静水压力，并且由于水位的急剧变化，同时还产生渗流作用，引起动水压力。计算简图如图9所示。

图9 挡土墙水土压力计算简图

1) 静水压力可按式(3)、式(4)计算：

(3)

(4)

式中：W1为静水压力，kN/m；γω为水容重,kN/m3；h2为墙后水位高度，m；h3为墙前水位高度，m；ε为墙背与竖直线夹角，(°)，当墙背仰斜时，取负值。

当水位快速上升时采用公式(3)计算静水压力，当水位快速下降时采用公式(4)计算静水压力。当水位保持稳定时，认为墙前后静水压力平衡，可不考虑静水压力作用。

2) 动水压力可按式(5)计算[11]:

(5)

(6)

2.3.2 墙内土压力和位移分析

水位上升、水位下降和理论计算时的墙内主动土压力值如图10所示。分析可知，无论是水位上升或是水位下降，试验得到的挡土墙墙内主动土压力值均大于理论计算的结果。之所以出现这样的现象，首先是由于理论计算时忽略了挡土墙浸水前后墙后填料内摩擦角的变化，而实际工程中，在河水的浸泡作用下墙后填料的综合内摩擦角会变小；其次，理论计算时假定水位上升墙前墙后水位不存在水位差，静水压力值相等，而实际工程中，墙后填料不可能为理想的透水性填料，在浸水挡土墙前后有水位差存在，形成相应的静水压力；同时，墙后填料浸水后，抗剪强度迅速降低，使挡墙所受主动土压力值增大。

另外水位下降时河水对挡土墙主动土压力的影响远大于水位上升时的影响。由于墙前水位下降较快，墙后水位在下降过程存在延滞性，使得墙前墙后形成一定高度的水位差，形成静水压力；并且由于水位下降过程中，墙后水向墙外排出，墙后填料产生渗流作用，进而形成动水压力。从而使得水位下降时河水对挡土墙稳定性的影响大于水位上升时的影响。

图10 不同水位高度下3种情况土压力值

根据计算简图图9计算出各级水位下挡土墙的抗滑移稳定系数KC及抗倾覆稳定系数Kt，图11为挡土墙抗滑移和抗倾覆稳定性系数随水位变化的发展曲线。

图11 不同水位高度下KC及Kt值

由图11可知: 随着水位的升高，抗滑移稳定系数在0.6～0.8倍墙高水位处存在一个最小值。而抗倾覆稳定系数呈逐渐变小的趋势，其最小值在水位最高处。实验时在墙顶、墙底安装百分表测试了浸水挡土墙在各级水位下的位移情况。试验数据见图5，随着水位升高，挡土墙墙顶及墙底位移呈现增大趋势。由于排水不畅形成的瞬时水位使得挡土墙稳定性系数迅速降低，墙底位移迅速增大，相邻水位间的墙底位移差在0.6～0.8倍墙高水位间取得最大值，此时挡土墙的抗滑移稳定性最差；随着水位升高，挡土墙墙顶与墙底间的位移差逐渐增大，当水位为最高水位时，墙顶与墙底间的位移差取得最大值，此时挡土墙的抗倾覆稳定性最差。

3 结论

1) 山区水电工程建设中，因水库水位上升，既有挡土墙变成浸水挡土墙，原有墙后填料的性质不满足浸水挡土墙填料的要求，挡土墙在浸水后，墙后填料抗剪强度降低，使得主动土压力变大，故在既有挡土墙变成浸水挡土墙后的主动土压力理论计算时应重视墙后填料内摩擦角的变化。

2) 水位下降时对浸水挡土墙稳定性的影响大于水位上升时的影响，这和墙后填料、墙身构造及墙后排水设计有很大关系，故在设计相关浸水型挡土墙时应合理选择墙型并注重墙后排水问题。

3) 由于随着水位的升高，浸水挡土墙墙顶与墙底间的位移差不断变大，故浸水挡土墙抗倾覆的最不利水位应为最高水位。但浸水挡土墙在大约0.6～0.8倍墙高处，挡土墙的抗滑移稳定性最差，故浸水挡土墙抗滑移最不利水位约为0.6～0.8倍墙高。

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