碎石排水通道对挡墙稳定性的影响与参数分析

■金国平

（南平武夷集团有限公司，南平 353099）

由于挡土墙具有占地面积少、施工简便、造型美观、经济性能好等优点，在国内外公路、铁路、水利等行业得到广泛的应用[1]。 设计中，挡土墙的回填土通常采用粗颗粒，以促进挡墙排水[2]。 由于部分地区难以获得粗颗粒的回填土，且运输成本高，使得越来越多的地区开始考虑采用边缘土（渗透性差的土）作为挡墙回填土。

若采用边缘土回填， 需在挡墙中增设排水设施，以克服边缘土渗透性差的缺陷。 为此许多学者提出了各自的排水方法，如Zornberg 等[3]在挡墙中增设了非织造土工织物作为排水通道，研究表明，非织造土工织物可以在饱和状态下进行排水；Guo等[4]将芯吸纤维土工织物应用于路基排水，研究结果表明：芯吸纤维土工织物能够在土体吸力较大的情况下将水排出；Yang 等[5]提出了碎石垫层进行排水的方法， 该方法可以使土体在一定吸力条件下排水，并确定了碎石垫层排水的最佳厚度为10 cm。 以上3 种排水方法中，芯吸纤维土工织物排水效果最佳，其次是碎石垫层，但是芯吸纤维土工织物造价昂贵，因此碎石垫层是性价比较高的排水方法。

挡墙后方地下水的侵入是挡墙土体水分的主要来源之一，而Yang 等[5]的研究并未考虑挡墙后地下水位的影响，本文将通过数值模拟，研究不同地下水位条件下设置水平碎石排水通道、 水平+竖向碎石排水通道后，对挡墙稳定性的影响。

1 数值模拟分析

1.1 模型建立

以Bhattacherjee 等[6]的模型为基础进行建模分析，模型高9 m，宽14 m。 采用Geostudio 软件，根据是否设置水平排水通道与竖向排水通道共建立3 种数值模型，如图1～3；其中图1 为无排水通道的数值模型，图2 为设置水平排水通道的数值模型，3 道水平排水通道分别位于坡脚上方1 m、3 m、5 m 处，且碎石垫层厚度均为10 cm，排水通道长度均为4 m；图3 为设置水平+竖向排水通道的数值模型，水平排水通道的布置与图2 相同，在水平排水通道后方2 m 处增设竖向排水通道。

图1 无排水通道数值模型

图2 设置水平排水通道的数值模型

图3 设置水平+竖向排水通道的数值模型

1.2 边界条件

模型主要分析设置排水通道对不同地下水位挡墙稳定性的影响，先进行不同地下水位条件下的渗流分析，随后进行稳定性分析。 渗流分析时，在挡墙后方设置总水头分别为3～9 m 的水力边界条件，并在模型左侧设置潜在渗流面边界。 稳定性分析时，在挡墙顶部与坡底设置“滑入-滑出”的边界条件以确定边坡滑动面范围，并将在该范围内自动搜索最危险滑动面。

1.3 模型材料

挡墙填土为粉质粘土， 排水通道材料为碎石，分别取自Yang 等[5]与Bahador 等[7]的模型。 材料的力学特性参数及水力参数见表1、表2。 材料的土水特征曲线（SWCC）与渗透系数函数见图4。

表1 力学特性参数

表2 土水特征曲线拟合参数及饱和渗透系数

图4 材料土水特征曲线（SWCC）与渗透系数函数

2 数值模拟结果分析与讨论

从图5 可以明显的看出：不论是否设置排水通道，随着地下水位的增高，挡墙稳定性均呈减小趋势； 其中设置水平+竖向排水通道的情况稳定性减弱趋势最小； 其次是仅设置水平排水通道的情况；未设置排水通道的情况稳定性减弱趋势最大。从表3中可以直观地看出设置排水通道对提高挡墙稳定性的效果。 随着地下水位高度的升高，设置排水通道对提高挡墙稳定性的效果越来越好；其中设置水平+竖向排水通道的情况提高挡墙稳定性的效果最佳。 在地下水位高度为9 m 时，挡墙稳定性提高了23.9%。以上数值模拟结果分析表明：在设置水平排水通道的基础上，增设竖向排水通道对提高挡墙稳定性有显著效果。

图5 设置排水通道对挡墙稳定性的影响

表3 不同地下水位高度条件下挡墙稳定性

3 参数分析

针对竖向排水通道水平位置、粉质粘土与碎石土水特征曲线拟合参数a 和n、 碎石渗透系数展开参数分析，研究不同参数对挡墙稳定性的影响。

3.1 竖向排水通道水平位置的影响

在水平排水通道后方1 m、2 m、3 m、4 m 处分别设置竖向排水通道，并建立相应数值分析模型。4个数值分析模型的计算结果如图6 所示。 从图中可以清晰看出：随着竖向排水通道水平位置离水平排水通道越来越远， 挡墙稳定性呈减小趋势。 图7呈现了竖向排水通道不同水平位置挡墙稳定性提高率的规律。 地下水位高度为3 m、4 m 时，竖向排水通道不同水平位置对挡墙稳定性没有影响，稳定性提高率为0；当地下水位为3～9 m 时，随着地下水位的提高，竖向排水通道不同水平位置对挡墙稳定性的影响越来越显著；总体规律为：离水平排水通道越近，挡墙稳定性提高率越大，当竖向排水通道水平位置为1 m 时，挡墙稳定性提高率达到最大值26.5%。

图6 竖向排水通道不同水平位置对挡墙稳定性的影响

图7 竖向排水通道不同水平位置挡墙稳定性提高率对比

3.2 粉质粘土土水特征曲线拟合参数a、n 的影响

土水特征曲线拟合参数a、n 值将影响土体非饱和条件下的渗透系数与含水率，从而影响土体强度，进而影响挡墙稳定性。 参数a 共进行10 个数值的分析， 分别为：1、5、15、20、25、50、100、150、200；参数n 共进行4 个数值的分析， 分别为：2、5、10、15；数值模拟计算结果如图8～9 所示。 从图8 可得：不同地下水位条件下，挡墙稳定性随着参数a 的增大而增大， 但当a＞50 后，a 值对挡墙稳定性的提高趋势有所降低。 此外，地下水位越高，a 值对挡墙稳定性的提高越不显著。 这是由于参数a 主要影响非饱和区域土体的强度，随着地下水位的提高，挡墙非饱和区域的范围越来越小，从而对挡墙稳定性的影响越来越不显著。

图8 粉质粘土不同a 值对挡墙稳定性的影响

观察图9 可知： 当地下水位为6～9 m 时，n 值增大对挡墙稳定性的提高并不明显；当地下水位为3～5 m 时，n 值增大，挡墙稳定性反而有所降低，n＞5后，挡墙稳定性基本不变。 因此，当n=2 时，对挡墙稳定性最有利。

图9 粉质粘土不同n 值对挡墙稳定性的影响

3.3 碎石土水特征曲线拟合参数a、n 及渗透系数的影响

碎石a、n 值的分析范围均取为1、3、7、10，共建立8 个数值分析模型。 计算结果如图10 所示：碎石a、n 参数值的变化对挡墙稳定性影响很小。 这是由于a、n 值仅影响非饱和区域的强度，作为竖向排水通道的碎石一直处于饱和状态，只有作为水平排水通道的碎石处于非饱和状态，而该部分碎石仅占整个挡墙的一小部分，因此碎石参数a、n 值对挡墙稳定性的影响很小。

图10 碎石不同a、n 值对挡墙稳定性的影响

碎石渗透系数分析范围取1×10-5、4.9×10-5、1×10-4、4.9×10-4，共建立4 个数值分析模型，计算结果如图11 所示。 显然，挡墙稳定性随着碎石渗透系数的增大而提高；这是由于竖向排水通道将挡墙后的地下水及时排出，使挡墙大部分土体处于非饱和状态，从而提高挡墙稳定性。 综上可得，碎石a、n 值的变化对挡墙稳定性影响很小，增大碎石渗透系数能有效提高挡墙稳定性。

图11 碎石不同渗透系数对挡墙稳定性的影响

4 结论

在不同地下水位条件下，对设置了水平排水通道、 水平+竖向排水通道及未设置排水通道3 种情况进行了数值模拟分析；并对竖向排水通道水平位置、 粉质粘土与碎石土水特征曲线拟合参数a、n值、碎石渗透系数进行了参数分析，得出以下结论：

（1）设置水平排水通道可以有效提高挡墙稳定性； 设置水平+竖向排水通道可以进一步提高挡墙稳定性。

（2）竖向排水通道离水平排水通道越近，排水效果越好，对挡墙稳定性的提高越显著。

（3）粉质粘土参数a 增大，能有效提高挡墙稳定性，但当a＞50 后，提高效果将不再显著；粉质粘土参数n 增大，挡墙稳定性减小，n＞5 后，挡墙稳定性变化不大。

（4）碎石参数a、n 值对挡墙稳定性的影响很小，而碎石渗透系数的增大能有效提高挡墙稳定性。