关于挡土墙后坡体破裂角的探讨

陈家春

摘  要：为研究挡土墙后坡体破裂角的变化情况，采用了理正和数值计算软件对同一挡墙高度，不同填土材料;不同挡墙高度，同一种填土材料的情况下进行了稳定性分析。同时，对挡墙后坡体破裂角的形成机理进行了分析。结果表明挡墙后破裂角随着墙后填土内摩擦角的增大而增大，而挡墙高度的变化对破裂角的影响相对较小。墙后破裂面的形成是沿着整体结构中最薄弱的位置发生的。但该位置并不一定是初始状态中具有结构缺陷的部位。

关键词：挡土墙破裂角  细观结构  机理 边坡

中图分类号：TU4                              文献标识码：A                文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0023-05

Abstract：In order to study the change of slope rupture angle behind retaining wall， the stability analysis of the same retaining wall height， different filling materials;Different retaining wall height， same filling material is carried out by using the software of rational and numerical calculation. At the same time， the formation mechanism of fracture angle of slope body behind retaining wall is analyzed.The results showed that the fracture angle behind the retaining wall increases with the increase of the friction angle behind the wall.The change of the height of retaining wall had less effect on the fracture Angle. The formation of the fracture plane behind the wall toke place along the weakest position in the overall structure， but that position was not necessarily the place with the structural defect in the initial state.

Key Words：Fracture angle of the retaining wall;Microstructure; Mechanism; Slide slope

目前，我國正处于大规模的建设发展时期，工程建设都在紧张快速地进行。岩土工程设计者们在挡墙的初步设计过程中，往往需要对支护结构的位置及埋设深度做出快速地判断，以达到配合建筑结构设计的目的。在这个过程中若支护结果离建筑物较近时，常常通过破裂角来进行支护结构与建筑物间距以及埋深的初步设置。《建筑边坡设计规范》中对破裂角的定义是基于均质土的基础上的。虽然大部分设计过程中设计者要求挡土墙后的填土是均质的压实碎石土，但实际施工中往往达不到设计的要求。填料可能是分层土，本文就主要对运用破裂角来判定边坡破坏形态的合理性进行探讨，力求为岩土的设计和施工提供一定的依据。

破裂角在土力学中是在计算库伦土压力时提出的，库伦土压力的基本假定就是墙后填土是理想的散粒体。是基于点的极限平衡状态提出的。而边坡的破裂角实际上是指的破坏时滑动面与水平面的夹角，虽然也是基于极限平衡理论提出的，但是两者还是存在有本质的区别的。本文主要讨论后者。

国内有许多学者对破裂角进行了研究，如：袁洪升通过对土钉支护结构中的土体单元进行应力分析，得出了垂直基坑中土钉支护结构滑移面的破裂角为45° +φ /2 -θ的结论[1]。谭凡等通过三轴UU、CU及CD试验对破裂角与内摩擦角之间的关系进行了论证，并得到了同一饱和土样在不同类型的三轴试验中破裂角与由有效应力指标计算的破裂角基本相等的结论[2]。马平等对考虑黏聚力及放坡角度的土钉墙侧土压力计算公式进行了研究，并推导了产生主动土压力时的剪切破坏角的计算公式[3]。还有其他一些学者也对土体的破裂角进行了研究，但对于挡土墙后破裂角的变化的研究还较为少见。

本文通过理正计算、数值计算结合土体剪切破坏试验成果对挡土墙后破裂角的变化规律进行了研究。

1  数值模拟计算

本文采用理正计算软件和岩土数值计算软件对不同的工况下的挡土墙后土体破裂角的变化情况进行了研究。根据实际工程中挡墙设计的使用情况，同时考虑到类比分析更便于总结破裂角的变化情况，主要对以下几种情况进行了同步的计算：（1）同一挡墙高度，不同填土材料;（2）不同挡墙高度，同一种填土材料。最后对具有土层变化的实际边坡工程也进行了分析计算。工况（1）的计算结果详见表1以及图1、图2。

理正是实际工程设计中常用的计算软件，本文先是通过理正对所设定的坡体进行分析，从计算结果表1中可以发现，理正所计算的安全系数和采用flac进行计算的结果基本上是一致的。同时从计算结果中还可以发现，采用条分法进行计算的时候，滑动圆弧都要经过挡墙的底部，滑动圆弧并不随着填土材料内摩擦角的改变而改变。而从数值计算的结果图1和图2中可以发现最大应变是发生在挡墙上墙后，以及挡墙前方地面以下的部分，从图1和图2中可以看出，最终挡墙的破坏，实际上是类似于倾倒状的破坏，挡墙后方的坡体还是有一条较为明显的剪切带，也就是破裂带，其角度分别为48o和45o，可见填土内摩擦角的变化并未对墙后坡体破裂角产生较大的影响。

对于第（2）种情况的计算结果如表2所示，从表2中可以看出两种计算方法所得的安全系数也基本一致，同时可以发现当墙后的填土材料没有变化时，随着挡墙高度的改变，数值模拟所得的破裂角基本围绕在45o左右变化，且变化幅度很小，从数值计算所得的云图中发现，当随着挡墙高度的不断增大，其坡体破坏的方式有所不同，当挡墙高度小于7.5m时坡体破裂面是通过墙底的，当挡墙高度到达8.5m后，其破裂面都是通过上墙体和下墙体的交界处。但破裂角还是基本在45o左右变化。

工程实例：

为观测实际工程中擋土墙后破裂角的变化对一沿山通道两侧的实际边坡工程进行了计算，该项目位于福州市马尾区，道路两侧一般为陡峭山坡，高差范围10～40m。路宽14～16m，为城市B级道路。其市政工程重要性等级为二级，场地复杂程度等级为二级，岩土条件复杂程度等级为二级。主要土层信息如表3。边坡计算模型如图3所示。数值计算云图如图4所示。

从计算结果上来看理正软件得到的最不利滑动面圆心位于（0.000，4.086m）处，滑动半径为6.025m，滑动安全系数为2.670，而数值计算得到的安全系数为2.54，破裂角也为45°。最大的应变处仍旧出现在挡墙后。

2  挡土墙后破裂面形成机理分析

一切土体的宏观表现都是从细观结构的变化引起的，在细观结构的层面上了解土体结构的变化才能更好的认识其形成的机理。为此进行了模拟现场挡墙失稳破坏情况的小尺寸细观结构观测实验，实验中土试样采用静压的方式将常规圆柱状试样一分为二，采用半圆柱的试样，环面进行了变形限制，仅允许其在平面一个方面上发生形变。

（1）宏观试验结果。

三轴试验中由于周围水压的存在，土样大部分呈现鼓胀破坏形态，只有在少数高压实度，低围压的情况下才有剪切破坏面的出现。而经过改进试验装置后进行的半圆柱土样的剪切破坏试验中发现，由于观测面没有进行完全的变形限制，基本上所有的试样都出现了剪切破坏面，应力应变曲线基本上都呈应变软化型。

（2）细观试验结果。

本文在进行试验的同时还采用光学显微镜观测了土样细观结构的变化情况，如图5所示。

从细观结构变化的图像可以看出，图5（1）是土试样剪切破坏前的原始状态，从图5（1）可以观察到土试样在未受压缩之前是处于一个较为完整的状态，土体的结构性较强。颗粒之间的结合较为紧密，微裂隙较为少见，但土体结构也并不是完全没有缺陷的，从图5（1）中还是可见一些微裂隙，在图5（1）中三个圆圈内的结构就是土体结构中相对薄弱的地方，图片上方的两个圈内是存在有微裂隙，而在下方的圆圈内是土颗粒结构相对松散，并且下方有较大的孔隙。随着，压力的增大，土试样的细观结构也开始变化，两缺陷处的裂隙开始扩张，而颗粒松散部分，在外力的作用下开始受到挤压，开始慢慢选择排列方向，在图5（2）中能观测的变化并不是特别明显，只是有轻微的变化，而实际上此时已经是剪切带的萌生的阶段，对照试验的应力应变曲线可以发现，图5（2）状态下应力已经非常接近最大值。压力进一步增大，而从图5（3）中就可以明显的观察到裂隙在不断的扩张，并且和相邻的裂隙不断的连接起来，形成更大的裂隙。在图5（3）中已经可以明显的看出，最初的两个结构缺陷处的裂隙均有发展，但在图像右侧的裂隙主要是和附近的微裂隙进行连接，其宽度并没有进一步的扩大，而左侧的裂隙宽度有了较大的变化，此时应力应变曲线上表现为应力迅速增大，达到最大值后又迅速减小，应变快速增大，到达图像5（4）应力基本趋于稳定，也就是到达了残余强度阶段。从图5（4）中可以看出，剪切带已经完全贯通，此阶段即为土体的破坏阶段。纵观土试样的破坏过程，当剪切带萌生后，变形就主要集中在一个小区域内，在最终形成的剪切带以外区域变化并不大，这一现象说明了：剪切带一旦萌生，变形将大部分集中在剪切带区域内，区域外的变形可以看成是卸载后的刚体运动[4]，剪切带最终会选择土体最为薄弱的方向发展。

结合数值模拟的结果可以发现，由于挡墙前是临空面，土体受到了挡墙的限制后应变最大区域就发生在挡墙身后。同时，也是由于挡墙的限制作用，使得其寻找最软弱的破裂面没有发生在挡墙身后，而是继续寻找其他结构性较差的地方。从细观的层面上来看，就如图5（1）左下方所示，虽然土体中已有较大的孔隙，但由于结构的限制，土体最终是延着右下方的孔隙形成裂缝，进而发生破坏。所以说，初始的结构缺陷并不一定是最终的破坏面，土体的破坏是沿着结构中最薄弱的位置发生的。

3  结语

通过上述的数值模拟计算和试验结果可以发现，挡土墙后的破裂角随着墙后填土内摩擦角的增大而增大，而挡墙高度的变化对破裂角的影响相对较小。墙后破裂面的形成是沿着整体结构中最薄弱的位置发生的。但该位置并不一定是初始状态中具有结构缺陷的部位。

参考文献

[1] 袁洪升.土钉墙支护结构破裂角的研究[J].施工技术，2011，40（338）：41-43.

[2] 谭凡，黄斌，饶锡保，等.关于三轴试验破裂角的试验论证与探讨[J].西北地震学报，2011，33（S1）：181-184.

[3] 马平，秦四清，孙强.考虑黏聚力及放坡角度的土钉墙侧土压力计算[J].岩土工程学报，2007（12）：1888-1891.

[4] 方玉树.边坡工程中破裂角和岩体等效内摩擦角取值及应用若干问题探讨[J].重庆建筑，2014，13（8）：34-38.

[5] 方庆军.土体剪切破坏细观结构试验及损伤本构模型研究[D].南京：河海大学，2012.

[6] 李钫，李耀南.破裂角的确定及其对土压力计算的适用性分析[J].城市地质，2019，14（1）：84-89.

[7] 陈晨，顾欢达，陈冬青.河道淤泥气泡混合土细观破坏机理模拟分析[J].长江科学院院报，2017，34（1）：114-119，134.

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[10] 伍礼杰，邓红卫，张亚南.一种基于强度折减法的自适应安全系数算法研究[J].矿冶工程，2020，40（1）：27-32.

[11] 张盼盼.循环荷载下淤泥轻量土的宏细观变形及沉降机理研究[D].郑州：河南工业大学，2019.