河道挡土墙的稳定性设计及工程应用研究

李 兵

(安徽省枞阳长江河道管理局，安徽 铜陵 246700)

0 引 言

2016年以来，安徽省枞阳县全面实施灾后水利薄弱环节建设性治理项目，着重对包括沿江易涝区进行河道治理，新建、改扩建排涝泵站。水利水电工程作为治理项目的重要一环，水利设施中防洪、抗旱工作不容轻视，堤防工程则是保证河道充分发挥防洪抗涝的关键[1-3]。挡土墙作为护坡施工技术，在不同的河道堤防工程中得到广泛应用。黄涛[4]提出了一种改进浆砌石挡土墙，以提高施工质量控制措施。陈莉等[5]对自嵌式生态砖挡土墙进行改进，缩短了传统挡土墙的建设工期，降低了造价。目前，由于自然气候多变，河道水量波动幅度较大，暴雨天气引起河道水位上涨，危及沿岸居民的人身安全。因此，对河道挡土墙进行改进设计，保证其稳定性，并在实际工程中进行应用。

1 河道挡土墙稳定性设计

挡土墙是一种具有多样性的支撑构造体，用来抵御侧向压力及堤防墙后土体的坍塌。相比于陆地挡土墙，河道挡土墙会有部分长期淹没在水中。挡土墙可以按照不同的侧重点进行分类。常见的挡土墙有重力式挡土墙、衡重式挡土墙、钢筋混凝土悬臂式挡土墙以及锚杆式挡土墙[6-8]。挡土墙设计过程中，最重要的一环就是土压力计算，关系着墙后填土以及地基稳定性，同时还需保证土压力不会使墙体变形。目前的土压力理论以库伦土压力和朗肯土压力为主，通过极限平衡原理推理得出的两种理论各有特色且有不同的使用领域。但由于河流及河流周边沙地具有较差的地质环境，以及抗震要求，对土压力的求解更为复杂。尤其对处于水体内长期淹没状态的挡土墙，稳定性的确定以及防震减震保障仍有所不足。土压力作为挡土墙的关键，根据位移情况不同，具有3种不同性质土压力。见图1。

图1 3种土压力性质图

图1为3种不同性质土压力示意图。主动土压力指当挡土墙向外位移时，土压力减少使墙后土体破裂下滑处于极限平衡状态时作用于墙背的土压力。被动土压力指当挡土墙挤压土体导致土压力增大，使得土体上移处于极限平衡状态时作用于墙的抗力。静止土压力则指挡土墙静止不动时，土压力介于两者之间的力。现有的土压力计算基本只考虑水平填土后的情况，但河道边坡、挡墙基本为半淹没的倾斜状态，在地质活动频繁、地震灾害频发地区，挡土墙在做好河道防护的同时，还需对地震灾害有良好的抗性[9-11]。因此，研究将橡胶颗粒土(Rubber Granular Soil,RGS)融入挡土墙中，对传统挡土墙改进，以增强挡土墙稳定性、抗震性，并进行工程应用。RGS挡土墙内部填充物具有两种完全不一样性质的材料，因此力学结构相比传统挡土墙更为特殊。RGS挡土墙横截面模型示意图见图2。

图2 RGS挡土墙示意图

图2为RGS挡土墙的物理模型，RGS的力学特性是挡土墙抗震抗压的关键所在。在RGS挡土墙中，橡胶对于砂石的比例，决定了挡土墙的抗震减震以及保障稳定性的关键因素。当橡胶含量较少时，会导致混凝土有较大塑性变形，随着橡胶含量不断增大，混凝土的弹性变形能力增强，降低了混凝土的塑性变形量，从而大大降低滞回阻尼，增大稳定性。见表1。

表1为不同橡胶含量下RGS力学参数。不同的橡胶含量中，内摩擦角最大的是10%橡胶含量，而50%橡胶含量弹性模量最小的同时，内摩擦角只有14.64°。当挡土墙中填土发生破坏时，墙面会发生滑动，挡土墙土体的破坏变形过程见图3。

表1 不同橡胶含量的RGS参数

图3 土体破坏变形模型

在图3中，当填充的土颗粒移动时，使土楔体发生位移，不但有水平位移，还会发生向上的位移，使挡土墙变宽。填充土破坏会导致土楔体滑动，土楔体向上位移，便会造成局部河道塌方等灾害。土体属于库伦材料，同时土体的破坏服从流动法则，所以土楔体不但沿着平行于滑裂面方向滑动，还会沿着滑裂面的法线方向滑动，当填充土移动破坏时，土楔体按照剪切变形移动破坏。由于挡土墙土界面也为一个滑裂面，因此存在速度间断，但墙土界面材料不能服从流动法则，便将挡土墙与填充土的相对速度以界面黏结剂的概念确定。因此，按照流动法则建立速度场模型，速度场见图4。

图4 速度场结构图

在图4中，为按照流动法则建立墙土模型失效机构，由图4的几何关系可以得到土楔体速度与挡土墙相对速度公式：

(1)

式中：Ve为土楔体速度；Vq为挡土墙速度；Veq为两个速度之间的相对速度；δb为墙体与地面之间的摩擦角；δ为墙体与土的摩擦角；φ为填充土的内摩擦角。

此外，当挡土墙滑动时，外部负载功率等于荷载大小与荷载对象速度之间的“矢量积”为稳定系数。采用能量法定义河道挡土墙的抗滑稳定系数，表达式为：

(2)

系数求解过程与库伦土压力求解类似。而挡土墙与土体的相对柔度，同样对挡土墙防震减震的动力响应有关系，因此引入相对柔度公式进行计算：

(3)

式中：Gs为剪切模量；H为填土高度；Dw为墙体单位长度内的抗弯刚度。

2 河道挡土墙稳定性实验分析及工程应用

2.1 RGS挡土墙不同含量以及相对柔度分析

对河道的RGS挡土墙稳定性分析，从挡土墙的墙土相对柔度、橡胶颗粒含量、橡胶颗粒土的不同换填位置对挡土墙的地震动力响应3个方面进行分析和工程应用。当挡土墙体积过大时，更容易发生滑动破坏，高度与厚度较小的挡土墙则容易发生转动破坏，尤其是河道挡土墙更应受到重视。RGS挡土墙在不同墙土相对柔度下，不同含量橡胶对挡土墙的抗震性能也有所不同。图5为在EI-Centro地震波和Kobe地震波时不同柔度和峰值加速度与挡土墙顶底位移差之间的关联曲线图。

在图5中，RGS挡土墙中的橡胶含量为20%，当峰值加速度在0.5g之前，顶底位移差对柔度的关联性并不大；但当峰值加速度大于0.5时，不同柔度下的顶底位移差出现大幅度差异。柔度为5.068的顶底位移差最小；当柔度在6～8时，相比柔度在10时的顶底位移差下降约30%；当柔度在5.068时，相比柔度为10时的顶底位移差下降30%～50%。另外，不同橡胶含量在面对EI-Centro地震波与Kobe地震波时，对顶底位移差关联程度见图6。

图5 柔度、峰值加速度与顶底位移差关联曲线

图6 柔度和橡胶颗粒含量与顶底位移差关联图

从图6中可看出，当橡胶颗粒占比10%时，顶底位移随着柔度的变化并无明显差别；当橡胶颗粒超过10%时，顶底位移差有明显的下降。未使用橡胶颗粒混凝土与RGS混凝土的柔度顶底位移差拟合曲线中，RGS混凝土的拟合线更低，斜率也更低，表明使用橡胶颗粒的RGS挡土墙能够降低挡土墙顶底位移差受到柔度变化的敏感性，有效提高了挡土墙的抗震能力。相对柔度不断加大时，使用橡胶颗粒的挡土墙改善效果更好，当输入的地震波是EI-Centro时，橡胶含量为20%的RGS挡土墙综合性能最好，柔度在5.068和10时，顶底位移差下降50%～60%。输入地震波为Kobe且橡胶颗粒含量为20%时，在柔度为5.068下顶底位移差降低27%，在柔度10下，顶底位移差降低17%。

橡胶颗粒土的力学性能指标也与其他因素相关，其中橡胶的占比是主要的因素。当在基岩上输入EI地震波和Kobe地震波时，对不同橡胶含量的RGS挡土墙的地震动力响应规律见图7。

从图7中可以看出，当地震波的峰值加速度小于0.5g时，未使用橡胶的传统挡土墙与RGS挡土墙的顶底位移差区别不大；但当峰值加速度大于0.5时，传统挡土墙的顶底位移达到0.12，橡胶含量50%的RGS顶底位移在0.06，橡胶含量20%的RGS为0.08。随着橡胶含量不断增大，挡土墙的顶底位移差以一种单调递减的趋势缩小，但不以线性趋势减小幅度。当填充10%的RGS挡土墙，顶底位移差下降约3%；填充量为20%时，顶底位移差下降幅度达到18%～20%；当橡胶含量继续增大，填充量达到30%～40%时，相比20%的填充量，顶底位移差的降幅仅有2.8%。当橡胶-土填充量各50%时，顶底位移差只下降约30%～40%左右。而在不同橡胶含量的应力云图则体现出当橡胶含量为20%时，墙底应力值相比传统挡土墙下降10%～20%；橡胶含量继续提高时，墙底应力值却出现上下波动情况。因此，从挡土墙的顶底位移差以及墙底应力来看，使用橡胶颗粒的RGS挡土墙能够有效提高挡土墙的抗震性能，并且橡胶占比20%时，RGS挡土墙的性能以及经济指标最优。

图7 橡胶含量不同的RGS挡土墙顶底位移差关系图

2.2 RGS挡土墙实际工程应用

在对相对柔度以及橡胶含量分析中，均是将挡土墙后的所有土体替换为橡胶颗粒土。但在实际工程中，不需要将全部的土体进行替换，便能取得良好的避震减震效果，同时还可以解决过高的经济消耗。在基岩输入不同峰值加速度的EI地震波以及Kobe地震波，选取性价比相对最高的20%含量的RGS挡土墙，对不同位置替换橡胶土挡土墙的顶底位移差曲线进行分析，见图8。

图8 橡胶土位置和峰值加速比与顶底位移差的关联图

在图8中，不同填充位置的挡土墙均能够降低两种地震波对顶底位移差的影响，但随着峰值加速度的变化以及填充位置的不同，会存在一定差异。当峰值加速度小于0.3时，全部填充的RGS挡土墙与传统挡土墙的顶底位移差相近，在表面和底层填充20%橡胶的RGS挡土墙的顶底位移差却出现大于传统挡土墙的情况。当峰值加速度大于0.3时，传统挡土墙的顶底位移差随着峰值加速度迅速增大，而改进的RGS挡土墙，不论全部替换还是局部替换，挡土墙的顶底位移差相比传统挡土墙均有下降。在峰值加速度为0.5时，顶底位移差相对不大；在峰值加速度为0.7和0.9时，在Kobe地震波下，中部与底层使用20%的RGS挡土墙的顶底位移差更低，顶底位移差下降约26%，能够取得更加优秀的抗震效果。在EI地震波中，表层装填的RGS挡土墙与传统挡土墙的顶底位移差相差无几，抗震效果最好，顶底位移差最低的是底层装填RGS的挡土墙，在中部使用橡胶土的挡土墙与全部使用橡胶土的挡土墙顶底位移差相差不多。底层替换的挡土墙相比全部替换的挡土墙，顶底位移差下降约11%。可以看出，RGS挡土墙由于使用两种完全不同的材料，使力学特征差异过大。当地震波穿过挡土墙时，会被反射消耗部分功率，因此部分替换RGS挡土墙的抗震防震效果相比全替换挡土墙及传统挡土墙更好。

而不同的填充方式也能改变应力大小，悬臂式挡土墙的墙底处是危险系数最大的部分。因此，针对墙底应力进行分析，结果见图9。

图9 填充位置与墙底应力关联图

由图9可以看出，相比Kobe地震波，EI地震波的墙底应力更小。Kobe地震波下的填充方式，应力在10.5以上，EI地震波的应力在8～10之间。在Kobe地震波中，未装填的墙底应力与表面填充的墙底应力相差不大，墙底应力最小的填充方式为中层填充，其次为底层填充。在EI地震波下，墙底应力最高的是传统挡土墙。使用RGS挡土墙中，表面填充的墙底应力最大，墙底应力最小的同样也是在中部填充的RGS挡土墙。可以看出，部分填充的橡胶颗粒土在改善挡土墙的抗震性能中，一方面橡胶土材料的本身密度能够降低土体的惯性，也能够降低地震波能量；另一方面，在中部填充时，在橡胶土与砂土的上下交界处，可以有效吸收地震波能量，从而降低墙-土系统的地震反应，还可以反射地震波，进一步提高抗震性能。尽管在底部填充橡胶的RGS挡土墙，抗震效果仅次于中部填充，但因为弹性模量低于其他土层，从而出现了墙底应力比中部填充略大的情况。在河道的冲刷下，也会出现基底脱空情况，因此选择不同的填土材料与20%含量的RGS挡土墙对比分析抗倾覆稳定性。脱空距离与水平位移对比图见图10。

图10 不同黏土与RGS土的脱空位移关系图

在图10中，A、B是两种以黏土为主材料的挡土墙，C、D是两种以砂土为主材料的挡土墙。可以看出，随着脱空距离增大，所有填料下的挡土墙都会产生位移，并且全部背离填土方向，但增长幅度各有不同。在脱空距离在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为主材料的A、B两个挡土墙，并且RGS挡土墙的位移保持最小在100mm以内。因此，综上得出RGS挡土墙优于传统填料的挡土墙。

3 结 论

堤防工程是保证河道安全的第一防线，而河道挡土墙的安全与稳定则是堤防工程的首要目标。因此，研究基于橡胶颗粒的RGS挡土墙，对传统挡土墙的稳定性进一步加强。实验结果表明，当橡胶颗粒超过10%时，顶底位移差有明显的下降。对两种不同地震波情况下的实验表明，橡胶含量为20%的RGS挡土墙综合性能最好，在柔度5.068下顶底位移差降低27%；在柔度10下，顶底位移差降低17%。从挡土墙顶底位移差和墙底应力实验中，20%橡胶占比的RGS挡土墙相比传统挡土墙经济指标优秀，抗震性能以及水土保持强度更高。