抗滑穩(wěn)定計(jì)算中水壓力作為抗力或荷載分析及討論

畢程敏

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊050021）

在擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算中， 抗滑穩(wěn)定系數(shù)等于抗滑力除以滑動(dòng)力，其實(shí)抗滑力即抗力，滑動(dòng)力即荷載。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是抗力/荷載。但是，在一些穩(wěn)定計(jì)算中，地表水會(huì)有漲落情況，這時(shí)水壓力到底是抗力還是荷載會(huì)容易混淆。本文以一個(gè)簡(jiǎn)化例題為例，在擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算中， 對(duì)水壓力是抗力還是荷載進(jìn)行分析、討論，為工程設(shè)計(jì)提供一定參考和借鑒。

1 計(jì)算方法

某河堤擋土墻， 斷面如圖1。 已知擋土墻重度25kN/m3，填土天然重度和飽和重度均為19kN/m3，內(nèi)摩擦角30°，黏聚力為0kPa，墻底面與地基土的摩擦系數(shù)為0.40，墻背與填土間為0°，水的重度為10kN/m3，墻前土壓力忽略不計(jì)，墻后土壓力采取水土分算。

在枯水期時(shí)，擋土墻前后無(wú)水（工況1）；當(dāng)進(jìn)入汛期時(shí)河道內(nèi)水位迅速上漲， 此時(shí)墻后水位距墻頂3m，河道內(nèi)水深4m（工況2）；隨著水位逐漸回落，假定墻后水位不變，河道內(nèi)水深2m與墻后水位齊平（工況3）；在某種因素下，水位迅速下降至河底，此時(shí)墻后水位保持不變（工況4）。 當(dāng)墻前后水位不同時(shí)，兩側(cè)地下水形成穩(wěn)定滲流。隨著汛期結(jié)束，墻前后水位逐漸下降，擋土墻恢復(fù)至枯水期狀態(tài)。

試分別計(jì)算4種工況下?lián)跬翂够€(wěn)定系數(shù)為多少？ （隔離體取單位寬度計(jì)算）

抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中 Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，為0.4；∑G 為作用在擋土墻上全部垂直于基底面的荷載（kN）；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載（kN）。

墻后主動(dòng)土壓力按朗肯土壓力公式進(jìn)行計(jì)算，主動(dòng)土壓力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得知Ka=1/3。

1.1 工況1

在該工況下， 抗力為擋土墻自重，G 重量為412.5kN，主動(dòng)土壓力為114kN。 則抗滑穩(wěn)定計(jì)算為：

1.2 工況2

墻前水位高于墻后水位2m， 擋土墻從前向后產(chǎn)生穩(wěn)定滲流， 滲流長(zhǎng)度為8m， 則滲透水力坡降i為0.25，自重、水重、水壓力、土壓力作用示意圖如圖2，經(jīng)計(jì)算，抗力和荷載成果如表1。

表1 工況2抗力和荷載計(jì)算成果

圖2 擋土墻工況2作用力示意圖

擋土墻自重和墻前水重與底部揚(yáng)壓力抵消為抗力，產(chǎn)生抗滑力；擋土墻后主動(dòng)土壓力為荷載，產(chǎn)生滑動(dòng)力；水壓力P1、P2如何處理，下面進(jìn)行3種方法計(jì)算。

方法1：將兩側(cè)水壓力差值的“凈水壓力”（P2-P1），因其作用方向與抗力相同，作為抗力，放入分子。

方法2：將墻前水壓力P2作為抗力，放入分子，將墻后水壓力P1作為荷載，放入分母。

方法3：將P2作為反方向的荷載，與P1一起放入分母。

經(jīng)計(jì)算得出，3種方法的計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 工況2各方法計(jì)算成果

根據(jù)《土力學(xué)》和《漫話土力學(xué)》相關(guān)內(nèi)容，擋土墻前后兩側(cè)的水壓力是確定的力， 應(yīng)相互抵消后采用凈水壓力。 在本工況中，凈水壓力為67.5kN，作用方向與抗力相同，應(yīng)作為抗力，放入分子計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)。 因此，在3種計(jì)算方法中，方法1是正確的。

這正如兩軍作戰(zhàn)，凈水壓力增加了抗滑力，是增加了“我軍”實(shí)力，應(yīng)納入抗力中。方法2中將2個(gè)水壓力分開(kāi)計(jì)算，看似合理，其實(shí)不然，前后水壓力是一個(gè)陣營(yíng)的隊(duì)友，不能將其分開(kāi)。方法3將其納入荷載，違背了“分清敵我”的原則，造成敵我不分，這就更加離譜了。

1.3 工況3

在工況3情況下，前后水位相同，水壓力相互抵消，兩側(cè)土沒(méi)有產(chǎn)生滲流，各力作用示意圖如圖2。經(jīng)計(jì)算，抗力和荷載成果如表3。

表3 工況3抗力和荷載計(jì)算成果

此時(shí)，P1等于P2， 采用工況2中3種方法計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 工況3各方法計(jì)算成果

由此可見(jiàn)，墻前后水壓力相等時(shí)應(yīng)相互抵消后不應(yīng)計(jì)入抗力、荷載中，抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算得出為1.23。

1.4 工況4

在工況4情況下，墻前水位驟降至河底，墻后水位高于墻前水位2m，擋土墻從后向前產(chǎn)生穩(wěn)定滲流，滲透水力坡降i為0.25，自重、水重、水壓力、土壓力作用示意圖如圖3。 經(jīng)計(jì)算，抗力和荷載成果如表5。

圖3 擋土墻工況4作用力示意圖

此時(shí)， 墻后水壓力P1為33.75kN， 墻前水壓力P2為6.25kN，二者凈水壓力為27.5kN，作用方向與荷載方向相同，應(yīng)放入分母。 則該工況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.05。

表5 工況4抗力和荷載計(jì)算成果

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上例題進(jìn)行分析計(jì)算， 得出該擋土墻在4種工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算如表6。

表6 各工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

綜合以上例題及表6可知：

（1）擋土墻在墻前有水時(shí)穩(wěn)定性最高，而在墻前水位驟降，墻后水位尚未降落時(shí)穩(wěn)定性最低，這與邊坡穩(wěn)定成果不謀而合。 因此，在工況4不滿足穩(wěn)定要求的情況下， 可采取墻體布設(shè)排水孔、 墻底設(shè)置逆坡、增加抗滑凸榫或其他等抗滑措施。

（2）在擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，水壓力是作為抗力還是荷載時(shí)，可按如下方法處理：當(dāng)墻前墻后均有水壓力時(shí)，將兩側(cè)水壓力差值作為凈水壓力，當(dāng)作用方向與抗力相同時(shí)，作為抗力放在分子；反之，當(dāng)作用方向與荷載相同時(shí)，應(yīng)作為荷載放在分母。