建筑技術(shù)丨強降雨入滲下高大擋土墻滲流與穩(wěn)定分析

邊坡在降雨作用下易發(fā)生滑坡，目前大量的學(xué)者對降雨作用下的邊坡飽和—非飽土滲流及強度進行了較深入的分析研究?，F(xiàn)有的研究多將降雨入滲面作為同一土層進行了分析研究，對入滲面為不同土層進行分析研究的較少。本文以半填方半挖方擋土墻作為研究對象，通過有限元法分析了降雨作用下?lián)跬翂蠡靥钔馏w、原狀土體的雨水下滲的飽和—非飽和滲流狀態(tài)，研究了該擋土墻在不同降雨持時，擋土墻的整體穩(wěn)定性，為擋土墻的設(shè)計提供必要的參考。1、降雨入滲模型1.1降雨入滲擋土墻模型降雨入滲過程一般受降雨強度q、地面以上水層厚度、土層表面的含水率、土層飽和滲透系數(shù)Kw有關(guān)，當降雨持續(xù)時間較長時，土層的入滲強度近似等于土層飽和滲透系數(shù)。本文中擋土墻形式及滲流模型如圖1所示。圖1擋土墻降雨入滲模型示意假設(shè)原狀土飽和滲透系數(shù)為Kw1，回填土飽和滲透系數(shù)為Kw2，擋土墻滲透系數(shù)為Kw3。此處回填土考慮采取砂質(zhì)回填土，滲透性大于原狀土，考慮到一般擋土墻泄水孔質(zhì)量較差，假設(shè)其滲透性系數(shù)大于原狀土，故有：Kw2>Kw1>Kw3。假設(shè)原狀土體寬L1，回填土體寬L2。擋土墻后降雨入滲的過程分為如下過程及行為。（1）當q<Kw1，此時地表徑流不會發(fā)生，降雨將全部入滲，此時地表入滲強度i=q。（2）當Kw2>q>Kw1，回填土部分的降水全部下滲，但原狀土部分降雨發(fā)生徑流，徑流將全部徑流至回填土區(qū)，此時，原狀土入滲強度為：i1=Kw2；回填土入滲強度為i2=q+（q–Kw1）L1/L2和i2=Kw2中的大值。（3）當q>Kw2，由于降雨強度大于土壤的入滲率，故部分降雨并不入滲，形成地表徑流，原狀土入滲強度為i1=Kw1，回填土入滲強度為i2=Kw2。1.2飽和—非飽和滲流的控制方程及定解條件飽和—非飽和滲流的控制方程表示為：式中：Kw為滲透系數(shù)（cm/s）；ρw為水的密度；m2w為土水特征曲線斜率的絕對值；h為總水頭；hw為壓力水頭（非飽和區(qū)為負值，飽和區(qū)為正值），h=hw+z。（1）初始條件：（2）邊界條件。1）已知水頭邊界S1（第1類邊界條件）：式中：h1（x,

z,

t）為已知不變水頭值。2）已知流量邊界S2（第二類邊界條件）：式中：ni為邊界面單位法向矢量；qn為邊界法向流量。1.3非飽和土強度準則Fredlund的抗剪強度公式：式中：c'為有效粘聚力；σ為法向應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；φ'為有效內(nèi)摩擦角；ua–uw為基質(zhì)吸力；φb為基質(zhì)吸力影響的內(nèi)摩擦角。2、工程案例分析

2.1工程概況廣東某項目建于山邊丘陵地帶，紅線邊存在1∶0.5~1.0現(xiàn)狀強風(fēng)化巖坡體，高差6~12?m，為了有效利用場地用地，在紅線邊設(shè)置了5~10?m高擋土墻。原狀土為土狀強風(fēng)化花崗巖，擋土墻采取1.0?m×1.2?m方樁，間距2.2?m，設(shè)置3道錨索，擋墻與現(xiàn)狀坡體之間壓實回填砂質(zhì)填料，地下水主要賦存于強風(fēng)化花崗巖,穩(wěn)定水位埋深在坡腳3~5?m位置。氣象資料顯示該地區(qū)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319.2?mm。2.2數(shù)值分析模型建立本文按歷史最大日降雨量319.2?mm，持續(xù)3?d作為本強降雨降雨強度，為了更為精確計算，該降雨量按小時降雨強度為13.3?mm/h。擋土墻高10?m，擋墻后回填土范圍L1=10?m，原狀土范圍L2=5?m，依據(jù)seep/2d軟件，本工程建立有限元模型如圖2所示。圖2擋土墻滲流有限元模型示意2.3結(jié)果分析通過對降雨后擋土墻后土體孔隙水壓力等勢線的分析可看出：在降雨前，由于地下水位較低，墻后土體為非飽和土，回填土孔隙水壓力處于–30~?–45?kPa之間,原狀土孔隙水壓力值大于–45?kPa，基質(zhì)吸力較大。由于降雨的作用下，在降雨24?h后在回填土區(qū)與原狀土交界面形成局部飽和區(qū)，48?h交界面形成飽和帶，至72?h，回填土區(qū)底部飽和帶與地下水位連通，局部抬高了地下水位。在降雨過程中，由于回填土滲透系數(shù)較大，回填土區(qū)，負孔隙水壓力迅速減小，飽和區(qū)范圍逐步加大，回填土區(qū)基質(zhì)吸力很小。原狀土區(qū)通過地表、回填交界面雨水的逐步滲入，由于原狀土滲透系數(shù)小，負孔隙水壓力緩慢減小，負孔隙水壓力受降雨的影響變化較慢，影響范圍僅為土層表面4~5?m內(nèi)。從圖3可知，在降雨前，在基質(zhì)吸力的作用下，土體抗剪強度較大，擋土墻整體穩(wěn)定系數(shù)達到1.951，強降雨12~72?h，安全系數(shù)從1.858下降至1.335，其中降雨36~48?h，安全系數(shù)下降迅速。圖3不同降雨持續(xù)時間下?lián)跬翂φw穩(wěn)定安全系數(shù)在整體穩(wěn)定分析中，原狀土與回填土交界面基本為最危險滑裂面，初期回填土存在基質(zhì)吸力，該位置滑裂面安全系數(shù)較大，隨著交界面出現(xiàn)飽和區(qū)及飽和區(qū)擴大，尤其36~48?h，從部分飽和區(qū)迅速擴大至全斷面飽和區(qū)，滑裂面位置，土體基質(zhì)吸力迅速消失，土體抗剪強度減小很大，整體穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小。2.4不同原狀邊坡?lián)跬翂B流及穩(wěn)定性分析為了更好的研究擋土墻在不同條件下的降雨響應(yīng)，本文研究了同一種擋土墻不同原狀土坡率在降雨作用下的表現(xiàn)。通過圖4可知：由于墻后回填土及原狀土范圍不同，在未降雨條件下，原狀土坡越陡，安全系數(shù)越高。原狀土體坡率從1∶1至1∶0.50，隨著降雨從0~72?h，安全系數(shù)均有下降，且坡率越陡安全系數(shù)下降的越顯著。圖4降雨作用下?lián)跬翂蟛煌瓲钔疗侣拾踩禂?shù)由于原狀土的滲透性小，在強降雨作用下，原狀土表面將發(fā)生部分徑流至回填土區(qū)，在表面徑流的作用下原狀土部分的降水將匯集到回填土區(qū)加大了回填土區(qū)的入滲量。在相同的匯水面積下，原狀土坡越陡，回填土范圍則越小，在同樣的降雨強度作用下，墻后基質(zhì)吸力消散的越快，越早形成飽和區(qū)及回填土區(qū)孔隙水壓力提高的越快。由于擋土墻后土體，一般回填土較原狀土參數(shù)要小，初始安全系數(shù)一般原狀土越多安全系數(shù)越大，但如果根據(jù)統(tǒng)一的安全系數(shù)原則進行設(shè)計，由于原狀土坡越陡的在降雨作用下，其安全系數(shù)下降的越快，在同樣的降雨作用下越不安全。因此在進行擋土墻設(shè)計時應(yīng)注意墻后匯水面積、原狀土坡坡度，原狀土坡率越陡，雖然作用在擋土墻的土壓力變小，但可能降雨作用下水壓力更大，導(dǎo)致?lián)跬翂Σ灰欢ǜ踩?、結(jié)論

本文通過有限元法建立了高大擋土墻在強降雨作用下的飽和、非飽和滲流分析模型，得出以下結(jié)論。（1）通過對擋土墻后回填土區(qū)、原狀土區(qū)飽和非飽和滲流入滲過程分析及邊界條件處理，發(fā)現(xiàn)降雨過程中回填土區(qū)滲流快，原狀土區(qū)滲流慢，原狀土部分將徑流至回填區(qū)，加劇回填土區(qū)從非飽和區(qū)向飽和區(qū)轉(zhuǎn)化。（2）降雨初期，原狀土與回填土交界面出現(xiàn)飽和區(qū)，隨著進一步降雨，飽和區(qū)范圍逐步加大，最后交界面全部形成飽和區(qū)并與地下