洪泽湖大堤周桥大塘月堤倒塌原因分析及加固方案.doc

洪泽湖大堤周桥大塘月堤倒塌原因分析及加固方案初探关键词：大堤直立石工墙倒塌原因 加固方案摘要：洪泽湖大堤位于洪泽湖的东岸，是里下河地区2000万人民和3000万亩农田安全的屏障。2005年8越7日周桥大塘越堤石工墙倒塌。原因是排水不畅，雨水下渗，导致土体抗剪强度下降；地下水位变化，引起土体有效应力增大，引起不均匀沉陷；塘内填土在石工墙表面引起的负摩擦力；机动车辆在堤顶形成的脉冲荷载，导致土体强度降低等综合原因导致石工墙倒塌。中图分类号：tu751+.5文献标识码：a 文章编号：1.大塘的成因、工程概况洪泽湖大堤位于洪泽湖的东岸，是里下河地区2000万人民和3000万亩农田安全的屏障。公元1824年农历11月12日，因冰凌和和暴风，周桥息浪港大堤决口，冲成近27米深的大塘。公元1830年，开始筑长734米,宽23m的内堤，将大塘围住，并用条石砌成外堤，以保障大堤的安全。内外堤工程历经6年竣工。1950年，为根除隐患，政府特拨专款，并组织千余民工，将大堤旧石堤拆除，新砌石工墙于塘四周。1976年冬至1979年春，经过三个冬春的艰苦努力，取土861000方，将大塘从塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m。2.事件经过2005年8月7日，江苏省洪泽县东双沟段陡降暴雨，当一列送葬车队刚经过该堤段的瞬间，车队经过的堤段，石工墙轰然倒塌。倒塌的堤段长48.5m，宽度在0.52.0m之间。3.石工墙倒塌力学原因分析3.1石工墙的断面形式石工墙采用俯式重力式挡土结构，内衬大青砖，外部的条石每砌筑一层，向堤身内收12cm，采用这种结构，石工墙所受的主动土压力最小，该结构断面形式是科学合理的。3.2石工墙后填土性质、计算参数的选定石工墙后的堤身填土为亚粘土，参照土力学中有关亚粘土的力学指标，取土的自然密度17.5kn/m3，土的=22º，c=14kn/m 2，堤顶高程19.50m，塘底高程8.010.0之间，取塘底高程9.0m，计算墙高10.5m。3.3石工墙受土压力分析由于堤后填土不是无限远，且堤顶基本平整，选用郎肯土压力理论计算墙后土压力。石工墙后受主动土压力：f=1/2.(h-z0)2. ka=1/217.5(10.5-2.7)20.455=242.2kn/m；z0=2.c/(. ka1/2)=214/(17.50.591)=2.7m石工墙后被动土压力：p=1/2.h2.kp+2.c.h. kp =1/217.510.522.198+21410.51.482=2556.1 kn/m。其中：ka=tg2(45º-/2)=0.455，ka1/2=0.674；kp = tg2(45º+/2)=2.198，kp 1/2=1.482。郎肯土压力理论假设挡土墙背是直立、光滑和刚性的，填土延伸至无限远，石工墙背是俯倾的，所以计算出来的土压力应该和墙背平面呈90º-角度（墙背面与铅直面的倾角）；石工墙材料是块石，本身就是刚性材料，与郎肯土压力假设相符；虽然石工墙后填土不是无限远，但产生主动土压力的楔体只是在h.tg(45º-/2）=6.21m范围内，堤顶宽23m，可以视同填土为无穷远。如果不考虑填土的粘结力，采用库仑土压力理论，石工墙所受主动土压力为：f=1/2.h2.ka=1/217.510.520.245=236.3kn/m，被动土压力：p=1/2.h2. kp =1/217.510.522.981=2875.9 kn/m，其中ka 为主动土压力系数，可以通过查表获得（=10º，=30º，=-10º，=0º），kp为被动土压力系数，可以通过计算获得。库仑土压力理论是不考虑土的粘结力，采用加大内摩擦角的办法来修正粘结力的影响。通过计算，我们发现两种理论计算的结果是接近的。由于石工墙向塘内倒塌（背离土体方向），可以断定石工墙的破坏形态为主动土压力破坏（土体将石工墙推倒），被动土压力（石工墙推向土体）对石工墙的破坏不起作用。3.4石工墙的滑动验算石工墙上受的滑动力主要有主动土压力f的水平推力fh，阻滑的力主要由石工墙的自重g部分与土体摩擦产生的阻滑力。ks=(g-fv)/fh= g-fcos(-)./f.sin(-)=10.5(1+3)0.525-242.2cos(80º-10º)0.7/242.2sin(80º-10º)=1.20其中为石工墙表面摩擦系数在0.65-0.75之间，取0.7；为石工墙的与土体接触的顶端角80º；墙体材料比重25kn/m3。计算中没有考虑石工墙的空间作用（大塘石工墙为弧形，受压时如同两铰拱或固端拱受力），没有考虑石工墙侧面摩擦力对抗滑动的有利影响，只是取任一段脱离体考虑。根据建筑地基基础设计规范，应满足ks1.3，如果考虑石工墙的整体拱、侧向摩擦力以及地基土体的粘结力的作用，石工墙的稳定能够满足要求。3.5石工墙的抗倾覆石工墙的倾覆力矩主要主动土压力产生，抗倾覆力矩主要由石工墙自重产生，分别对墙趾求矩：kt =(g.x0- fv.x1)/ fh.z=10.5225=210.5251.92-242.2cos70（10.5-2.7）1/3/ 242.2sin70º（10.5-2.7）1/3=1.34根据建筑地基基础设计规范，应满足kt1.5，本计算的模型是趋于保守的，如果考虑石工墙的整体拱、侧向摩擦力作用，石工墙的倾覆稳定性能够满足要求。4.石工墙倒塌原因分析石工墙通过计算可知，稳定性基本能够满足要求，倒塌的原因值得思索。笔者通过多次实地勘察，认为月堤倒塌的原因有如下方面：4.1排水不畅，雨水下渗，导致土体抗剪强度下降该段堤顶为乡村土路，堤顶无排水明沟，夏季干旱时，路面龟裂，加之车辆雨天行走留下的坑塘，路面极为崎岖不平。2005年8月初洪泽地区干旱，8月7日陡降暴雨，堤顶由于没有排水设施，加之堤顶路面没有科学的排水坡度，大量的雨水滞留在布满干缩裂缝坑塘里，雨水顺着这些裂缝下渗，导致土体内的孔隙水压力增加，土体有效应力减小，抗剪强度下降。其次由于排水不畅，雨水下渗，导致墙后无形中增加附加的水压力。4.2地下水位变化，引起土体有效应力增大，引起不均匀沉陷周桥大塘一直作为养殖鱼虾的水塘，自2002年后，改作农田，塘内水位从11.50左右降至9.00以下，毫无疑问地下水位跟着发生变化。虽然石工墙下地基荷载没有变化，但是地下水位的下降，导致地基中的有效应力增加，也势必引起地基压缩变形。当附加沉陷量不一致时，导致堤身土体剪切变形过大，最终破坏。4.3塘内填土在石工墙表面引起的负摩擦力从工程概况中我们可以知道，大塘是从塘底高程-16.00m回填至高程8.0010.00m，回填高度达2425m之多。在土力学中，这些回填土属于欠固结土，它们在自然状态下需要上万年才能沉降稳定。这些回填土在固结过程中，必然在石工墙的表面形成一个下拉的摩擦力（拖曳力），这个摩擦力相当于桩基础打在欠固结土体上，桩表面形成的负摩擦力。4.4机动车辆在堤顶形成的脉冲荷载，导致土体强度降低众所周知，砂土在脉冲荷载作用下，会发生液化现象，导致土体强度尽失，粘性土在脉动荷载的作用下，土体的强度也会发生变化，土体的强度会慢慢降低。根据有关试验，脉冲荷载产生的应力只有土体正常强度的60%，但作用的次数达到900次，粘性土也会破坏。这段堤防连接洪泽县双沟镇村与村之间的交通，虽不是交通干道，但所受各类大、中型车辆脉冲荷载次数，远远超过900次。4.5堤后土体破坏过程模拟因为直立石墙是俯卧的，所以在正常情况下，土体承受石墙自重产生的压力（被动土压力）。当土体受到上述因素影响时，土体受力模型改变，土体承受主动土压力（土体克服石工墙产生的被动土压力，土体推向石工墙）。当土体承受的主动土压力超过土体强度时，土体破坏，石工墙倾倒。单元体破坏过程模拟示意图如下：5.加固方案初探周桥大塘石工墙倒塌后，管理单位非常重视，立即对倒塌区域采取了隔离保护措施，禁止行人和车辆进入该区域，并对一些裂缝区域覆盖防雨布，防止雨水下浸。根据周桥大塘石工墙倒塌的原因，笔者以为可以采取以下两种加固方案：5.1土工织物与加筋土土体破坏的原因是因为剪切破坏，所以可以考虑在修复该堤段时，人为的加大土的抗剪强度，可以在石工墙后的回填土中加入土工织物，目前加筋土工织物的抗拉强度可达到1000kn/m。只要在主动土压力区配置合适的土工织物、锚杆，并有一定的锚固长度，通过计算就能够满足土体的抗剪要求。其运用见左侧图4所示。5.2石工墙后加做钢筋混凝土挡土墙由于周桥大塘直立石工墙，反映了人类治水的一段历史，被当地旅游局开发成为一处旅游景点，所以最好能够保持石工墙的原貌。该方案在石工墙后加做钢筋混凝土挡