重力式挡土墙动稳定性分析
重力式挡土墙动稳定性分析
廖 燕 刘 勇
（四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000）
摘 要 本文针对墙后填土为无粘性土的重力式挡土墙在振动作用下的失稳问题，视为墙后无粘性土体内摩擦角降低的结果。利用朗肯土压力理论并结合试验分析得出，随着振速的增加，无粘性土体的内摩擦角逐渐降低，重力式挡土墙稳定安全系数也逐渐降低，且稳定安全系数降低值与振速成幂函数关系。
关键词 重力式挡土墙 无粘性土 内摩擦角 稳定安全系数
1引言
重力式挡土墙在地震或爆破力等振动影响下，挡土墙往往可能产生失稳现象，这种失稳的力学机制属于动力学问题。目前，国内外对动力作用下挡土结构物的失稳分析主要采用拟静力法[1~2]。由于拟静力法简便，在挡土墙动力稳定性分析中已得到广泛应用。然而，拟静力法的地震动力系数一般凭经验选取，存在任意性，理论依据不足。本文利用自行设计制作的模拟试验装置(见图1)，对墙后填土为无粘性土的重力式挡土墙失稳机制进行试验研究。
图1 模拟试验装置
2 振动模型试验原理
(1)为了让爆破振动引起重力式挡土墙稳定性问题的研究得到简化，将爆破振动分解为水平和垂直方向进行试验，通过改变冲击球高度和增减弹簧数量来模拟爆破在水平方向和垂直方向产生的振动对重力式挡土墙稳定性的影响。由于挡土墙背土压力的变化幅度较大，难于进行原样试验，所以本次试验利用混凝土块制作模拟重力式挡土墙，利用普通砂土模拟墙后填土。
(2) 试验装置受水平冲击时，将摆球在l～20cm之间的一定高度，水平方向安装2根弹簧，实测波形曲线见图2(a)，其频率为11.2505Hz，水平振速为7.0198cm/s，持续时间为299.5ms；试验装置受垂直冲击时，冲击球在1～45cm之间的一定高度，竖直方向安装4根弹簧，实测波形曲线见图2(b)，其频率为16.1831Hz，振速为71.99cm/s，持续时间为196.6ms。图2表明，试验装置模拟爆破振动是完全可行的。
（a）水平振动
（b）垂直振动
图2 振动实测波形
3 重力式挡土墙动稳定试验
3.1 试验方案
(1)水平振动试验。将摆球控制在不同摆角水平冲击试验装置，使装置产生0～10cm/s范围的不同振速；以水平方向安装不同数量弹簧，产生10～60Hz范围的频率。
(2)垂直振动试验。将冲击球控制在不同高度垂直冲击试验装置，使装置产生10～80cm/s范围的不同垂直振速；以竖直方向安装不同数量弹簧，使频率发生在10～60 Hz之间。
(3)混凝土制作1模型重力式挡土墙，沿墙长方向10cm，剖面尺寸为2cm×4cm×10cm，密度为2.3～2.5g/cm3，模拟挡土墙重量为17.28N，墙背涂抹黄油来模拟墙背光滑，如图3所示。对相同填土性质4种不同水平和垂直振速条件下分别做4组共8次试验。
图3 模拟挡土墙
3.1.1 无粘性土体的抗剪强度指标确定
根据无粘性土坡稳定分析，假设土坡倾角为，对斜坡土颗粒进行受力分析得；下滑力；坡面压力；最大静摩擦力。当下滑力等于抗滑力时，无粘性土坡处于静力极限平衡状态，即，推导得土体内摩擦角，根据这一原理，在模拟挡土墙后将填土堆放到极限平衡状态（如图3），坡角即为土的内摩擦角。因土体为无粘性土，可得粘聚力。
本次试验选用的无粘性土静内摩擦角为，重度。
3.1.2 挡土墙静态稳定性验算
根据重力式挡土墙抗滑稳定性验算公式
（1）
取，求得静抗滑安全系数；由重力式挡土墙抗倾覆验算公式
（2）
求得静抗倾覆安全系数
3.2 挡土墙动稳定试验及成果分析
3.2.1 挡土墙动稳定试验
水平振动作用下的试验数据见表1，垂直振动作用下的试验数据见表2。
在表1、表2中，表示无粘性土静态极限平衡状态时内摩擦角，它数字上等于极限平衡状态时边坡坡角；等于振动作用下土坡的极限稳定坡角；，分别表示静态时挡土墙的抗滑安全系数、抗倾覆安全系数；，分别表示振动作用下挡土墙的抗滑安全系数、抗倾覆安全系数；抗滑安全系数降低值，抗倾覆安全系数降低值。
3.2.2 挡土墙动态稳定性验算
根据振动作用下填土的动内摩擦角计算振动状态时的主动土压力，取挡土墙底面与地基的摩擦系数为，利用公式（1）和公式（2）计算重力式挡土墙振动作用下的动抗滑安全系数及动抗倾覆安全系数，其结果见表1、表2。
3.3 试验分析
3.3.1 水平振动作用下的数据分析
（1）根据表1回归分析得出重力式挡土墙在水平振动作用下水平振速对抗滑安全系数及抗倾覆安全系数降低值的关系，见图4。
（2）从表1和图4来看，随着水平振速的增大，无粘性填土的内摩擦角逐渐降低，模拟重力式挡土墙的抗滑安全系数及抗倾覆安全系数降低程度增大。抗滑安全系数的降低幅度为
（3）
抗倾覆安全系数的降低幅度为
（4）
（3）由公式(3)、(4)和图4中曲线1、2可知，在水平振动作用下，水平振速从5.847cm/s增大到7.631cm/s时，模拟重力式挡土墙的抗滑安全系数降低幅度由30.84%增加到66.82%，抗倾覆安全系数降低幅度由16.49%增加至39.12%。可见，抗滑抗倾覆安全系数的降低幅度随水平振速增加而增大，且抗滑安全系数降低幅度比抗倾覆安全系数降低幅度大；抗滑抗倾覆安全系数降低值与水平振速成幂函数关系。
3.3.2 垂直振动作用下的数据分析
（1）由表2回归分析，得重力式挡土墙抗滑垂直振动作用时垂直振速对抗滑抗倾覆安全系数降低值的关系，见图5。
（2）根据表2和图5分析知，随着垂直振速的增大，模拟重力式挡土墙的抗滑抗倾覆安全系数降低值逐渐也增大。抗滑安全系数的降低幅度为
（5）
抗倾覆安全系数的降低幅度为
（6）
（3）由公式(5)、(6)和图5中曲线1、2分析，在垂直振动作用下，水平振速从23.352cm/s增大到74.533cm/s时，模拟重力式挡土墙的抗滑安全系数降低幅度由25.7%增加到65.18%，抗倾覆安全系数降低幅度由13.68%增加至38.07%。可见，抗滑抗倾覆安全系数的降低幅度随垂直振速增大而增大，且抗滑安全系数降低速度比抗倾覆安全系数降低速度快；抗滑抗倾覆安全系数降低值与水平振速满足幂函数关系。
4 结论
（1）在水平和垂直振动作用下产生的振速均对重力式挡土墙抗滑抗倾覆安全系数有降低作用，随着振速的增加挡土墙抗滑抗倾覆安全系数降低幅度都增大，其中水平振速对挡土墙抗滑抗倾覆安全系数降低幅度较大，垂直振速对挡土墙抗滑抗倾覆安全系数降低幅度较小，且振速与稳定安全系数之间成幂函数关系。
（2）在相同条件下，振动速度对抗滑安全系数的降低幅度大于对抗倾覆安全系数的降低幅度。
（3）在重力式挡土墙附近的爆破设计，有效控制振速对挡土墙稳定安全系数的降低幅度，特别是水平振速对重力式挡土墙抗滑安全系数的降低幅度是避免挡土墙失稳的关键。
参考文献：
[1]朱传文，赖世骧，卢文波，朱焕春．爆破振动对岩体结构面影响的室内试验研究．工程爆破，1996，(4)：51-54．
[2]陈书申，陈晓平 主编．土力学与地基基础．武汉大学出版社，2008．
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