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        擋土墻在降雨條件下的安全防護(hù)措施研究

        2021-12-22 06:38:28陳似華
        建筑施工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置措施

        陳似華

        廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 佛山 528312

        近年來(lái),因降雨引發(fā)邊坡、擋土墻失穩(wěn)的情況越來(lái)越多,目前,國(guó)內(nèi)對(duì)降雨入滲邊坡做了大量的研究。孫永帥等[1]、蔡欣育等[2]、李龍起等[13]研究發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度越大,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降越快;韓同春等[4]研究了雙層結(jié)構(gòu)邊坡降雨入滲與坡面徑流;李寧等[5]研究了降雨條件下抗滑樁在邊坡支護(hù)中樁間距樁位布置;師晨翔等[6]研究了降雨條件下?lián)跬翂Φ目箖A覆穩(wěn)定性,認(rèn)為降雨顯著降低了擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性。

        降雨對(duì)邊坡、擋土墻的影響非常顯著,如何從設(shè)計(jì)和施工措施上消除擋土墻在降雨工況下受到的影響,顯得非常有意義。

        本文通過(guò)有限元法,根據(jù)飽和-非飽和滲流理論,研究了降雨作用下,擋土墻在墻后地面上覆反滲層、墻底及巖土交界面設(shè)置排水體的情況下,擋土墻墻后滲流、孔隙水水壓力的變化,分析了降雨作用下采取不同防護(hù)措施的擋土墻的整體穩(wěn)定性。

        1 工程概況

        廣東某項(xiàng)目建于山邊丘陵地帶,紅線邊處存在大量1∶0.5~1∶1.0現(xiàn)狀強(qiáng)風(fēng)化巖坡體,高差6~12 m。為了有效利用場(chǎng)地用地,在紅線邊設(shè)置了5~10 m高擋土墻,原狀地層基本為土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。擋土墻采取1.0 m×1.2 m方樁,水平間距2.2 m,設(shè)置3道錨索,擋墻與現(xiàn)狀坡體之間壓實(shí)回填土。地下水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,穩(wěn)定水位埋深在坡腳3~5 m位置。截至2018年,收集了該地區(qū)近30年的氣象資料:多年平均降雨量為1 706 mm,最大降雨量為2 580.6 mm,最小降雨量為1 066.8 mm,日最大降雨量為319.2 mm;多年平均蒸發(fā)量為1 522.3 mm,年蒸發(fā)量最多為1 874.2 mm,年蒸發(fā)量最少為1 285.1 mm。

        2 數(shù)值模擬及分析

        依據(jù)SEEP/2D軟件,按歷史最大日降雨量319.2 mm降雨強(qiáng)度,持續(xù)3 d降雨,為了精確計(jì)算,該降雨量的降雨強(qiáng)度為13.3 mm/h。擋土墻高10 m,擋土墻后回填土范圍為10 m,原狀土范圍為5 m。建立了無(wú)任何措施、墻后地面設(shè)置黏性土反滲層、巖土交界面及墻底設(shè)置砂卵石排水體、墻后地面設(shè)置反滲層及巖土交界面設(shè)置排水體等4種不同措施情況下的有限元模型,如圖1所示。

        圖1 擋土墻滲流有限元模型

        2.1 不同措施下?lián)跬翂鬂B流分析

        在無(wú)任何措施的情況下,降雨72 h后,在強(qiáng)風(fēng)化巖體及回填土區(qū)交界面形成飽和帶,該交界面形成了擋土墻墻后薄弱帶。通過(guò)在巖土交界面設(shè)置排水體,同無(wú)措施情況相比,回填區(qū)土層降雨下滲至交界面排水體,水體迅速下滲至墻底,排水體范圍迅速失水成為非飽和土。而在擋土墻后地面設(shè)置反滲層后,墻后降雨下滲緩慢,72 h降雨僅影響土層深度1~2 m。同時(shí)在墻后地面設(shè)置反滲層及巖土交界面設(shè)置排水體后,土層負(fù)孔隙水壓力增大,降雨僅對(duì)墻后土體1~2 m產(chǎn)生影響,土層內(nèi)部幾乎未變化。

        2.2 不同措施擋土墻墻后孔隙水壓力分析

        從圖2可看出:在無(wú)任何措施情況下,降雨初期至55 h,負(fù)孔隙水水壓力從-30 kPa緩慢升至-20 kPa,至61 h后負(fù)孔隙水壓力迅速變?yōu)檎紫端畨毫?,孔隙水壓力從?0 kPa快速增至80 kPa。導(dǎo)致該情況的主要原因是本擋土墻墻后為陡傾面,擋土墻與原狀巖面之間空間較小,在降雨作用下,若泄水孔未能有效發(fā)揮作用,回填區(qū)孔隙水壓力將快速抬高,并將快速加大墻后水土壓力合力。

        圖2 不同措施擋土墻墻后土體孔隙水壓力-時(shí)間曲線示意

        墻底及巖土交界面設(shè)置排水情況下,降雨初期至49 h,墻后底部孔隙水壓力逐漸增大,但比無(wú)措施情況下孔隙水壓力增長(zhǎng)緩慢,孔隙水壓力一直保持在-35~-33 kPa,在49 h后,孔隙水壓力迅速抬高至0 kPa,并且孔隙水壓力一直保持在0 kPa。很顯然,在交界面及墻底部設(shè)置排水體能有效控制墻后孔隙水壓力值,極大地阻止了墻后孔隙水壓力不斷升高,將墻后水土壓力合力控制在可控范圍內(nèi)。

        墻后地面設(shè)置反滲層情況下,在降雨作用下,孔隙水壓力上升緩慢,孔隙水壓力一直保持很緩的速度抬高,至降雨97 h,孔隙水壓力仍保持在負(fù)孔隙水壓力值-20 kPa以內(nèi),很大程度上減小了降雨對(duì)擋土墻墻后土體的影響,墻后土體始終處于非飽和狀態(tài),墻后土體基質(zhì)吸力一直在發(fā)揮作用,擋土墻墻后土壓力與無(wú)降雨?duì)顟B(tài)差別不大。

        在墻后地面設(shè)置反滲層,且墻底及巖土交界面設(shè)置排水體后,在降雨作用下,較僅在墻后地面設(shè)置反滲層,孔隙水壓力隨時(shí)間的變化更緩??紫端畨毫?時(shí)間曲線的斜率與在墻底及巖土交界面設(shè)置排水體的斜率一致,不同之處在于隨著降雨持續(xù),其斜率一直保持不變,孔隙水壓力保持在-35~-30 kPa??梢钥闯鲈摯胧?種措施的結(jié)合,也具備2種措施的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)在墻后地面反滲層阻隔大部分降水,又能通過(guò)排水體將部分下滲水體有效地排出墻后,進(jìn)一步減緩孔隙水壓力的抬升,使墻后土體一直保持在非飽和土狀態(tài),墻后土體基質(zhì)吸力也較僅在墻后地面設(shè)置反滲層更大,該措施墻后水土壓力最小。

        2.3 不同措施下?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性分析

        從圖3可看出:無(wú)措施擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)最低,且在降雨工況下,擋土墻安全系數(shù)下降最快。墻底及巖土交界面設(shè)置排水體后,擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)較無(wú)措施情況下大,隨著降雨持續(xù),擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)雖逐漸減小,但較無(wú)措施情況下下降緩慢。墻后地面設(shè)置反滲層措施下,其降雨前雖然與無(wú)措施情況下?lián)跬翂φw穩(wěn)定系數(shù)一致,但其整體穩(wěn)定系數(shù)在降雨過(guò)程中下降非常緩慢。在墻后地面設(shè)置反滲層和墻底及巖土交界面設(shè)置排水體后,擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)最高,且擋土墻在降雨條件下幾乎無(wú)變化。

        圖3 不同措施擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)-時(shí)間曲線示意

        由此可得出,擋土墻最佳的防護(hù)措施為墻后地面設(shè)置反滲層,且墻底及巖土交界面設(shè)置排水體,擋土墻后地面設(shè)置反滲層有效阻擋降雨下滲,在強(qiáng)降雨作用下,墻后雨水大部分發(fā)生徑流,部分下滲雨水在排水體的排水作用下,擋土墻后幾乎不形成積水,擋土墻后基本為非飽和土,基質(zhì)吸力基本與未降雨情況一致,故擋土墻整體穩(wěn)定性一直可保持較高值而不下降。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)降雨作用下,不同防護(hù)措施擋土墻墻后滲流、墻后孔隙水壓力分布及變化、整體穩(wěn)定性系數(shù)的分析比較,得出以下結(jié)論:

        1)無(wú)措施情況下,降雨期間擋土墻墻后巖土交界面易形成薄弱帶,隨著降雨持續(xù),孔隙水壓力將快速抬高,迅速增加墻后水土壓力,擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)急速下降,擋土墻安全性急劇降低。

        2)墻底及巖土交界面設(shè)置排水體后,在降雨期間,能有效控制墻后孔隙水壓力,阻止孔隙水壓力快速增大,并消除了巖土交界面的薄弱帶,將擋土墻水土壓力控制在可控范圍內(nèi),使擋土墻在降雨情況下的安全性得到保障。

        3)墻后地面設(shè)置反滲層后,在降雨期間,很大程度減小了降雨對(duì)墻后土體的影響,使墻后土體始終處在非飽和狀態(tài),墻后土體基質(zhì)吸力一直在發(fā)揮作用,墻后土壓力與無(wú)降雨?duì)顟B(tài)差別不大。

        4)同時(shí)在墻后地面設(shè)置反滲層、墻底及巖土交界面設(shè)置排水體后,具備2種措施的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)墻后地面反滲層阻隔大部分降水,對(duì)于部分下滲水體,又能將其快速排出墻后,使擋土墻墻后土體一直保持在非飽和狀態(tài),其擋土墻安全性也最高。在擋土墻設(shè)計(jì)過(guò)程中建議按此措施進(jìn)行施工,以提高擋土墻在降雨工況下的安全性。

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