李 兵

(安徽省樅陽長江河道管理局，安徽 銅陵 246700)

0 引 言

2016年以來，安徽省樅陽縣全面實施災后水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)性治理項目，著重對包括沿江易澇區(qū)進行河道治理，新建、改擴建排澇泵站。水利水電工程作為治理項目的重要一環(huán)，水利設(shè)施中防洪、抗旱工作不容輕視，堤防工程則是保證河道充分發(fā)揮防洪抗?jié)车年P(guān)鍵[1-3]。擋土墻作為護坡施工技術(shù)，在不同的河道堤防工程中得到廣泛應用。黃濤[4]提出了一種改進漿砌石擋土墻，以提高施工質(zhì)量控制措施。陳莉等[5]對自嵌式生態(tài)磚擋土墻進行改進，縮短了傳統(tǒng)擋土墻的建設(shè)工期，降低了造價。目前，由于自然氣候多變，河道水量波動幅度較大，暴雨天氣引起河道水位上漲，危及沿岸居民的人身安全。因此，對河道擋土墻進行改進設(shè)計，保證其穩(wěn)定性，并在實際工程中進行應用。

1 河道擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計

擋土墻是一種具有多樣性的支撐構(gòu)造體，用來抵御側(cè)向壓力及堤防墻后土體的坍塌。相比于陸地擋土墻，河道擋土墻會有部分長期淹沒在水中。擋土墻可以按照不同的側(cè)重點進行分類。常見的擋土墻有重力式擋土墻、衡重式擋土墻、鋼筋混凝土懸臂式擋土墻以及錨桿式擋土墻[6-8]。擋土墻設(shè)計過程中，最重要的一環(huán)就是土壓力計算，關(guān)系著墻后填土以及地基穩(wěn)定性，同時還需保證土壓力不會使墻體變形。目前的土壓力理論以庫倫土壓力和朗肯土壓力為主，通過極限平衡原理推理得出的兩種理論各有特色且有不同的使用領(lǐng)域。但由于河流及河流周邊沙地具有較差的地質(zhì)環(huán)境，以及抗震要求，對土壓力的求解更為復雜。尤其對處于水體內(nèi)長期淹沒狀態(tài)的擋土墻，穩(wěn)定性的確定以及防震減震保障仍有所不足。土壓力作為擋土墻的關(guān)鍵，根據(jù)位移情況不同，具有3種不同性質(zhì)土壓力。見圖1。

圖1 3種土壓力性質(zhì)圖

圖1為3種不同性質(zhì)土壓力示意圖。主動土壓力指當擋土墻向外位移時，土壓力減少使墻后土體破裂下滑處于極限平衡狀態(tài)時作用于墻背的土壓力。被動土壓力指當擋土墻擠壓土體導致土壓力增大，使得土體上移處于極限平衡狀態(tài)時作用于墻的抗力。靜止土壓力則指擋土墻靜止不動時，土壓力介于兩者之間的力?，F(xiàn)有的土壓力計算基本只考慮水平填土后的情況，但河道邊坡、擋墻基本為半淹沒的傾斜狀態(tài)，在地質(zhì)活動頻繁、地震災害頻發(fā)地區(qū)，擋土墻在做好河道防護的同時，還需對地震災害有良好的抗性[9-11]。因此，研究將橡膠顆粒土(Rubber Granular Soil,RGS)融入擋土墻中，對傳統(tǒng)擋土墻改進，以增強擋土墻穩(wěn)定性、抗震性，并進行工程應用。RGS擋土墻內(nèi)部填充物具有兩種完全不一樣性質(zhì)的材料，因此力學結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)擋土墻更為特殊。RGS擋土墻橫截面模型示意圖見圖2。

圖2 RGS擋土墻示意圖

圖2為RGS擋土墻的物理模型，RGS的力學特性是擋土墻抗震抗壓的關(guān)鍵所在。在RGS擋土墻中，橡膠對于砂石的比例，決定了擋土墻的抗震減震以及保障穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。當橡膠含量較少時，會導致混凝土有較大塑性變形，隨著橡膠含量不斷增大，混凝土的彈性變形能力增強，降低了混凝土的塑性變形量，從而大大降低滯回阻尼，增大穩(wěn)定性。見表1。

表1為不同橡膠含量下RGS力學參數(shù)。不同的橡膠含量中，內(nèi)摩擦角最大的是10%橡膠含量，而50%橡膠含量彈性模量最小的同時，內(nèi)摩擦角只有14.64°。當擋土墻中填土發(fā)生破壞時，墻面會發(fā)生滑動，擋土墻土體的破壞變形過程見圖3。

表1 不同橡膠含量的RGS參數(shù)

圖3 土體破壞變形模型

在圖3中，當填充的土顆粒移動時，使土楔體發(fā)生位移，不但有水平位移，還會發(fā)生向上的位移，使擋土墻變寬。填充土破壞會導致土楔體滑動，土楔體向上位移，便會造成局部河道塌方等災害。土體屬于庫倫材料，同時土體的破壞服從流動法則，所以土楔體不但沿著平行于滑裂面方向滑動，還會沿著滑裂面的法線方向滑動，當填充土移動破壞時，土楔體按照剪切變形移動破壞。由于擋土墻土界面也為一個滑裂面，因此存在速度間斷，但墻土界面材料不能服從流動法則，便將擋土墻與填充土的相對速度以界面黏結(jié)劑的概念確定。因此，按照流動法則建立速度場模型，速度場見圖4。

圖4 速度場結(jié)構(gòu)圖

在圖4中，為按照流動法則建立墻土模型失效機構(gòu)，由圖4的幾何關(guān)系可以得到土楔體速度與擋土墻相對速度公式：

(1)

式中：Ve為土楔體速度；Vq為擋土墻速度；Veq為兩個速度之間的相對速度；δb為墻體與地面之間的摩擦角；δ為墻體與土的摩擦角；φ為填充土的內(nèi)摩擦角。

此外，當擋土墻滑動時，外部負載功率等于荷載大小與荷載對象速度之間的“矢量積”為穩(wěn)定系數(shù)。采用能量法定義河道擋土墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，表達式為：

(2)

系數(shù)求解過程與庫倫土壓力求解類似。而擋土墻與土體的相對柔度，同樣對擋土墻防震減震的動力響應有關(guān)系，因此引入相對柔度公式進行計算：

(3)

式中：Gs為剪切模量；H為填土高度；Dw為墻體單位長度內(nèi)的抗彎剛度。

2 河道擋土墻穩(wěn)定性實驗分析及工程應用

2.1 RGS擋土墻不同含量以及相對柔度分析

對河道的RGS擋土墻穩(wěn)定性分析，從擋土墻的墻土相對柔度、橡膠顆粒含量、橡膠顆粒土的不同換填位置對擋土墻的地震動力響應3個方面進行分析和工程應用。當擋土墻體積過大時，更容易發(fā)生滑動破壞，高度與厚度較小的擋土墻則容易發(fā)生轉(zhuǎn)動破壞，尤其是河道擋土墻更應受到重視。RGS擋土墻在不同墻土相對柔度下，不同含量橡膠對擋土墻的抗震性能也有所不同。圖5為在EI-Centro地震波和Kobe地震波時不同柔度和峰值加速度與擋土墻頂?shù)孜灰撇钪g的關(guān)聯(lián)曲線圖。

在圖5中，RGS擋土墻中的橡膠含量為20%，當峰值加速度在0.5g之前，頂?shù)孜灰撇顚θ岫鹊年P(guān)聯(lián)性并不大；但當峰值加速度大于0.5時，不同柔度下的頂?shù)孜灰撇畛霈F(xiàn)大幅度差異。柔度為5.068的頂?shù)孜灰撇钭钚?；當柔度?～8時，相比柔度在10時的頂?shù)孜灰撇钕陆导s30%；當柔度在5.068時，相比柔度為10時的頂?shù)孜灰撇钕陆?0%～50%。另外，不同橡膠含量在面對EI-Centro地震波與Kobe地震波時，對頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)程度見圖6。

圖5 柔度、峰值加速度與頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)曲線

圖6 柔度和橡膠顆粒含量與頂?shù)孜灰撇铌P(guān)聯(lián)圖

從圖6中可看出，當橡膠顆粒占比10%時，頂?shù)孜灰齐S著柔度的變化并無明顯差別；當橡膠顆粒超過10%時，頂?shù)孜灰撇钣忻黠@的下降。未使用橡膠顆粒混凝土與RGS混凝土的柔度頂?shù)孜灰撇顢M合曲線中，RGS混凝土的擬合線更低，斜率也更低，表明使用橡膠顆粒的RGS擋土墻能夠降低擋土墻頂?shù)孜灰撇钍艿饺岫茸兓拿舾行?，有效提高了擋土墻的抗震能力。相對柔度不斷加大時，使用橡膠顆粒的擋土墻改善效果更好，當輸入的地震波是EI-Centro時，橡膠含量為20%的RGS擋土墻綜合性能最好，柔度在5.068和10時，頂?shù)孜灰撇钕陆?0%～60%。輸入地震波為Kobe且橡膠顆粒含量為20%時，在柔度為5.068下頂?shù)孜灰撇罱档?7%，在柔度10下，頂?shù)孜灰撇罱档?7%。

橡膠顆粒土的力學性能指標也與其他因素相關(guān)，其中橡膠的占比是主要的因素。當在基巖上輸入EI地震波和Kobe地震波時，對不同橡膠含量的RGS擋土墻的地震動力響應規(guī)律見圖7。

從圖7中可以看出，當?shù)卣鸩ǖ姆逯导铀俣刃∮?.5g時，未使用橡膠的傳統(tǒng)擋土墻與RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇顓^(qū)別不大；但當峰值加速度大于0.5時，傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰七_到0.12，橡膠含量50%的RGS頂?shù)孜灰圃?.06，橡膠含量20%的RGS為0.08。隨著橡膠含量不斷增大，擋土墻的頂?shù)孜灰撇钜砸环N單調(diào)遞減的趨勢縮小，但不以線性趨勢減小幅度。當填充10%的RGS擋土墻，頂?shù)孜灰撇钕陆导s3%；填充量為20%時，頂?shù)孜灰撇钕陆捣冗_到18%～20%；當橡膠含量繼續(xù)增大，填充量達到30%～40%時，相比20%的填充量，頂?shù)孜灰撇畹慕捣鶅H有2.8%。當橡膠-土填充量各50%時，頂?shù)孜灰撇钪幌陆导s30%～40%左右。而在不同橡膠含量的應力云圖則體現(xiàn)出當橡膠含量為20%時，墻底應力值相比傳統(tǒng)擋土墻下降10%～20%；橡膠含量繼續(xù)提高時，墻底應力值卻出現(xiàn)上下波動情況。因此，從擋土墻的頂?shù)孜灰撇钜约皦Φ讘砜?，使用橡膠顆粒的RGS擋土墻能夠有效提高擋土墻的抗震性能，并且橡膠占比20%時，RGS擋土墻的性能以及經(jīng)濟指標最優(yōu)。

圖7 橡膠含量不同的RGS擋土墻頂?shù)孜灰撇铌P(guān)系圖

2.2 RGS擋土墻實際工程應用

在對相對柔度以及橡膠含量分析中，均是將擋土墻后的所有土體替換為橡膠顆粒土。但在實際工程中，不需要將全部的土體進行替換，便能取得良好的避震減震效果，同時還可以解決過高的經(jīng)濟消耗。在基巖輸入不同峰值加速度的EI地震波以及Kobe地震波，選取性價比相對最高的20%含量的RGS擋土墻，對不同位置替換橡膠土擋土墻的頂?shù)孜灰撇钋€進行分析，見圖8。

圖8 橡膠土位置和峰值加速比與頂?shù)孜灰撇畹年P(guān)聯(lián)圖

在圖8中，不同填充位置的擋土墻均能夠降低兩種地震波對頂?shù)孜灰撇畹挠绊?，但隨著峰值加速度的變化以及填充位置的不同，會存在一定差異。當峰值加速度小于0.3時，全部填充的RGS擋土墻與傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕嘟诒砻婧偷讓犹畛?0%橡膠的RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇顓s出現(xiàn)大于傳統(tǒng)擋土墻的情況。當峰值加速度大于0.3時，傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇铍S著峰值加速度迅速增大，而改進的RGS擋土墻，不論全部替換還是局部替換，擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕啾葌鹘y(tǒng)擋土墻均有下降。在峰值加速度為0.5時，頂?shù)孜灰撇钕鄬Σ淮?；在峰值加速度?.7和0.9時，在Kobe地震波下，中部與底層使用20%的RGS擋土墻的頂?shù)孜灰撇罡?，頂?shù)孜灰撇钕陆导s26%，能夠取得更加優(yōu)秀的抗震效果。在EI地震波中，表層裝填的RGS擋土墻與傳統(tǒng)擋土墻的頂?shù)孜灰撇钕嗖顭o幾，抗震效果最好，頂?shù)孜灰撇钭畹偷氖堑讓友b填RGS的擋土墻，在中部使用橡膠土的擋土墻與全部使用橡膠土的擋土墻頂?shù)孜灰撇钕嗖畈欢?。底層替換的擋土墻相比全部替換的擋土墻，頂?shù)孜灰撇钕陆导s11%?？梢钥闯?，RGS擋土墻由于使用兩種完全不同的材料，使力學特征差異過大。當?shù)卣鸩ù┻^擋土墻時，會被反射消耗部分功率，因此部分替換RGS擋土墻的抗震防震效果相比全替換擋土墻及傳統(tǒng)擋土墻更好。

而不同的填充方式也能改變應力大小，懸臂式擋土墻的墻底處是危險系數(shù)最大的部分。因此，針對墻底應力進行分析，結(jié)果見圖9。

圖9 填充位置與墻底應力關(guān)聯(lián)圖

由圖9可以看出，相比Kobe地震波，EI地震波的墻底應力更小。Kobe地震波下的填充方式，應力在10.5以上，EI地震波的應力在8～10之間。在Kobe地震波中，未裝填的墻底應力與表面填充的墻底應力相差不大，墻底應力最小的填充方式為中層填充，其次為底層填充。在EI地震波下，墻底應力最高的是傳統(tǒng)擋土墻。使用RGS擋土墻中，表面填充的墻底應力最大，墻底應力最小的同樣也是在中部填充的RGS擋土墻?？梢钥闯?，部分填充的橡膠顆粒土在改善擋土墻的抗震性能中，一方面橡膠土材料的本身密度能夠降低土體的慣性，也能夠降低地震波能量；另一方面，在中部填充時，在橡膠土與砂土的上下交界處，可以有效吸收地震波能量，從而降低墻-土系統(tǒng)的地震反應，還可以反射地震波，進一步提高抗震性能。盡管在底部填充橡膠的RGS擋土墻，抗震效果僅次于中部填充，但因為彈性模量低于其他土層，從而出現(xiàn)了墻底應力比中部填充略大的情況。在河道的沖刷下，也會出現(xiàn)基底脫空情況，因此選擇不同的填土材料與20%含量的RGS擋土墻對比分析抗傾覆穩(wěn)定性。脫空距離與水平位移對比圖見圖10。

圖10 不同黏土與RGS土的脫空位移關(guān)系圖

在圖10中，A、B是兩種以黏土為主材料的擋土墻，C、D是兩種以砂土為主材料的擋土墻?？梢钥闯觯S著脫空距離增大，所有填料下的擋土墻都會產(chǎn)生位移，并且全部背離填土方向，但增長幅度各有不同。在脫空距離在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為主材料的A、B兩個擋土墻，并且RGS擋土墻的位移保持最小在100mm以內(nèi)。因此，綜上得出RGS擋土墻優(yōu)于傳統(tǒng)填料的擋土墻。

3 結(jié) 論

堤防工程是保證河道安全的第一防線，而河道擋土墻的安全與穩(wěn)定則是堤防工程的首要目標。因此，研究基于橡膠顆粒的RGS擋土墻，對傳統(tǒng)擋土墻的穩(wěn)定性進一步加強。實驗結(jié)果表明，當橡膠顆粒超過10%時，頂?shù)孜灰撇钣忻黠@的下降。對兩種不同地震波情況下的實驗表明，橡膠含量為20%的RGS擋土墻綜合性能最好，在柔度5.068下頂?shù)孜灰撇罱档?7%；在柔度10下，頂?shù)孜灰撇罱档?7%。從擋土墻頂?shù)孜灰撇詈蛪Φ讘嶒炛校?0%橡膠占比的RGS擋土墻相比傳統(tǒng)擋土墻經(jīng)濟指標優(yōu)秀，抗震性能以及水土保持強度更高。