關(guān)于擋土墻后坡體破裂角的探討

陳家春

摘? 要：為研究擋土墻后坡體破裂角的變化情況，采用了理正和數(shù)值計算軟件對同一擋墻高度，不同填土材料;不同擋墻高度，同一種填土材料的情況下進行了穩(wěn)定性分析。同時，對擋墻后坡體破裂角的形成機理進行了分析。結(jié)果表明擋墻后破裂角隨著墻后填土內(nèi)摩擦角的增大而增大，而擋墻高度的變化對破裂角的影響相對較小。墻后破裂面的形成是沿著整體結(jié)構(gòu)中最薄弱的位置發(fā)生的。但該位置并不一定是初始狀態(tài)中具有結(jié)構(gòu)缺陷的部位。

關(guān)鍵詞：擋土墻破裂角? 細觀結(jié)構(gòu)? 機理 邊坡

中圖分類號：TU4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，我國正處于大規(guī)模的建設(shè)發(fā)展時期，工程建設(shè)都在緊張快速地進行。巖土工程設(shè)計者們在擋墻的初步設(shè)計過程中，往往需要對支護結(jié)構(gòu)的位置及埋設(shè)深度做出快速地判斷，以達到配合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。在這個過程中若支護結(jié)果離建筑物較近時，常常通過破裂角來進行支護結(jié)構(gòu)與建筑物間距以及埋深的初步設(shè)置。《建筑邊坡設(shè)計規(guī)范》中對破裂角的定義是基于均質(zhì)土的基礎(chǔ)上的。雖然大部分設(shè)計過程中設(shè)計者要求擋土墻后的填土是均質(zhì)的壓實碎石土，但實際施工中往往達不到設(shè)計的要求。填料可能是分層土，本文就主要對運用破裂角來判定邊坡破壞形態(tài)的合理性進行探討，力求為巖土的設(shè)計和施工提供一定的依據(jù)。

破裂角在土力學(xué)中是在計算庫倫土壓力時提出的，庫倫土壓力的基本假定就是墻后填土是理想的散粒體。是基于點的極限平衡狀態(tài)提出的。而邊坡的破裂角實際上是指的破壞時滑動面與水平面的夾角，雖然也是基于極限平衡理論提出的，但是兩者還是存在有本質(zhì)的區(qū)別的。本文主要討論后者。

國內(nèi)有許多學(xué)者對破裂角進行了研究，如：袁洪升通過對土釘支護結(jié)構(gòu)中的土體單元進行應(yīng)力分析，得出了垂直基坑中土釘支護結(jié)構(gòu)滑移面的破裂角為45° +φ /2 -θ的結(jié)論[1]。譚凡等通過三軸UU、CU及CD試驗對破裂角與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系進行了論證，并得到了同一飽和土樣在不同類型的三軸試驗中破裂角與由有效應(yīng)力指標(biāo)計算的破裂角基本相等的結(jié)論[2]。馬平等對考慮黏聚力及放坡角度的土釘墻側(cè)土壓力計算公式進行了研究，并推導(dǎo)了產(chǎn)生主動土壓力時的剪切破壞角的計算公式[3]。還有其他一些學(xué)者也對土體的破裂角進行了研究，但對于擋土墻后破裂角的變化的研究還較為少見。

本文通過理正計算、數(shù)值計算結(jié)合土體剪切破壞試驗成果對擋土墻后破裂角的變化規(guī)律進行了研究。

1? 數(shù)值模擬計算

本文采用理正計算軟件和巖土數(shù)值計算軟件對不同的工況下的擋土墻后土體破裂角的變化情況進行了研究。根據(jù)實際工程中擋墻設(shè)計的使用情況，同時考慮到類比分析更便于總結(jié)破裂角的變化情況，主要對以下幾種情況進行了同步的計算：（1）同一擋墻高度，不同填土材料;（2）不同擋墻高度，同一種填土材料。最后對具有土層變化的實際邊坡工程也進行了分析計算。工況（1）的計算結(jié)果詳見表1以及圖1、圖2。

理正是實際工程設(shè)計中常用的計算軟件，本文先是通過理正對所設(shè)定的坡體進行分析，從計算結(jié)果表1中可以發(fā)現(xiàn)，理正所計算的安全系數(shù)和采用flac進行計算的結(jié)果基本上是一致的。同時從計算結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，采用條分法進行計算的時候，滑動圓弧都要經(jīng)過擋墻的底部，滑動圓弧并不隨著填土材料內(nèi)摩擦角的改變而改變。而從數(shù)值計算的結(jié)果圖1和圖2中可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)變是發(fā)生在擋墻上墻后，以及擋墻前方地面以下的部分，從圖1和圖2中可以看出，最終擋墻的破壞，實際上是類似于傾倒?fàn)畹钠茐?，擋墻后方的坡體還是有一條較為明顯的剪切帶，也就是破裂帶，其角度分別為48o和45o，可見填土內(nèi)摩擦角的變化并未對墻后坡體破裂角產(chǎn)生較大的影響。

對于第（2）種情況的計算結(jié)果如表2所示，從表2中可以看出兩種計算方法所得的安全系數(shù)也基本一致，同時可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)墻后的填土材料沒有變化時，隨著擋墻高度的改變，數(shù)值模擬所得的破裂角基本圍繞在45o左右變化，且變化幅度很小，從數(shù)值計算所得的云圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隨著擋墻高度的不斷增大，其坡體破壞的方式有所不同，當(dāng)擋墻高度小于7.5m時坡體破裂面是通過墻底的，當(dāng)擋墻高度到達8.5m后，其破裂面都是通過上墻體和下墻體的交界處。但破裂角還是基本在45o左右變化。

工程實例：

為觀測實際工程中擋土墻后破裂角的變化對一沿山通道兩側(cè)的實際邊坡工程進行了計算，該項目位于福州市馬尾區(qū)，道路兩側(cè)一般為陡峭山坡，高差范圍10～40m。路寬14～16m，為城市B級道路。其市政工程重要性等級為二級，場地復(fù)雜程度等級為二級，巖土條件復(fù)雜程度等級為二級。主要土層信息如表3。邊坡計算模型如圖3所示。數(shù)值計算云圖如圖4所示。

從計算結(jié)果上來看理正軟件得到的最不利滑動面圓心位于（0.000，4.086m）處，滑動半徑為6.025m，滑動安全系數(shù)為2.670，而數(shù)值計算得到的安全系數(shù)為2.54，破裂角也為45°。最大的應(yīng)變處仍舊出現(xiàn)在擋墻后。

2? 擋土墻后破裂面形成機理分析

一切土體的宏觀表現(xiàn)都是從細觀結(jié)構(gòu)的變化引起的，在細觀結(jié)構(gòu)的層面上了解土體結(jié)構(gòu)的變化才能更好的認識其形成的機理。為此進行了模擬現(xiàn)場擋墻失穩(wěn)破壞情況的小尺寸細觀結(jié)構(gòu)觀測實驗，實驗中土試樣采用靜壓的方式將常規(guī)圓柱狀試樣一分為二，采用半圓柱的試樣，環(huán)面進行了變形限制，僅允許其在平面一個方面上發(fā)生形變。

（1）宏觀試驗結(jié)果。

三軸試驗中由于周圍水壓的存在，土樣大部分呈現(xiàn)鼓脹破壞形態(tài)，只有在少數(shù)高壓實度，低圍壓的情況下才有剪切破壞面的出現(xiàn)。而經(jīng)過改進試驗裝置后進行的半圓柱土樣的剪切破壞試驗中發(fā)現(xiàn)，由于觀測面沒有進行完全的變形限制，基本上所有的試樣都出現(xiàn)了剪切破壞面，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上都呈應(yīng)變軟化型。

（2）細觀試驗結(jié)果。

本文在進行試驗的同時還采用光學(xué)顯微鏡觀測了土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化情況，如圖5所示。

從細觀結(jié)構(gòu)變化的圖像可以看出，圖5（1）是土試樣剪切破壞前的原始狀態(tài)，從圖5（1）可以觀察到土試樣在未受壓縮之前是處于一個較為完整的狀態(tài)，土體的結(jié)構(gòu)性較強。顆粒之間的結(jié)合較為緊密，微裂隙較為少見，但土體結(jié)構(gòu)也并不是完全沒有缺陷的，從圖5（1）中還是可見一些微裂隙，在圖5（1）中三個圓圈內(nèi)的結(jié)構(gòu)就是土體結(jié)構(gòu)中相對薄弱的地方，圖片上方的兩個圈內(nèi)是存在有微裂隙，而在下方的圓圈內(nèi)是土顆粒結(jié)構(gòu)相對松散，并且下方有較大的孔隙。隨著，壓力的增大，土試樣的細觀結(jié)構(gòu)也開始變化，兩缺陷處的裂隙開始擴張，而顆粒松散部分，在外力的作用下開始受到擠壓，開始慢慢選擇排列方向，在圖5（2）中能觀測的變化并不是特別明顯，只是有輕微的變化，而實際上此時已經(jīng)是剪切帶的萌生的階段，對照試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，圖5（2）狀態(tài)下應(yīng)力已經(jīng)非常接近最大值。壓力進一步增大，而從圖5（3）中就可以明顯的觀察到裂隙在不斷的擴張，并且和相鄰的裂隙不斷的連接起來，形成更大的裂隙。在圖5（3）中已經(jīng)可以明顯的看出，最初的兩個結(jié)構(gòu)缺陷處的裂隙均有發(fā)展，但在圖像右側(cè)的裂隙主要是和附近的微裂隙進行連接，其寬度并沒有進一步的擴大，而左側(cè)的裂隙寬度有了較大的變化，此時應(yīng)力應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力迅速增大，達到最大值后又迅速減小，應(yīng)變快速增大，到達圖像5（4）應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，也就是到達了殘余強度階段。從圖5（4）中可以看出，剪切帶已經(jīng)完全貫通，此階段即為土體的破壞階段。縱觀土試樣的破壞過程，當(dāng)剪切帶萌生后，變形就主要集中在一個小區(qū)域內(nèi)，在最終形成的剪切帶以外區(qū)域變化并不大，這一現(xiàn)象說明了：剪切帶一旦萌生，變形將大部分集中在剪切帶區(qū)域內(nèi)，區(qū)域外的變形可以看成是卸載后的剛體運動[4]，剪切帶最終會選擇土體最為薄弱的方向發(fā)展。

結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于擋墻前是臨空面，土體受到了擋墻的限制后應(yīng)變最大區(qū)域就發(fā)生在擋墻身后。同時，也是由于擋墻的限制作用，使得其尋找最軟弱的破裂面沒有發(fā)生在擋墻身后，而是繼續(xù)尋找其他結(jié)構(gòu)性較差的地方。從細觀的層面上來看，就如圖5（1）左下方所示，雖然土體中已有較大的孔隙，但由于結(jié)構(gòu)的限制，土體最終是延著右下方的孔隙形成裂縫，進而發(fā)生破壞。所以說，初始的結(jié)構(gòu)缺陷并不一定是最終的破壞面，土體的破壞是沿著結(jié)構(gòu)中最薄弱的位置發(fā)生的。

3? 結(jié)語

通過上述的數(shù)值模擬計算和試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，擋土墻后的破裂角隨著墻后填土內(nèi)摩擦角的增大而增大，而擋墻高度的變化對破裂角的影響相對較小。墻后破裂面的形成是沿著整體結(jié)構(gòu)中最薄弱的位置發(fā)生的。但該位置并不一定是初始狀態(tài)中具有結(jié)構(gòu)缺陷的部位。

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