土质库岸路基内孔隙水压力的计算方法

公路 交通技术 2 0 1 0年 4月 第 2期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o a A p r 2 0 1 0 N o 2 土质库岸路基内孔隙水压力的计算方法 童第科 陈 铭 王俊杰 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司 重庆4 0 0 0 6 7 2 江苏省交通工程集团有限公司南京分公司 南京2 1 1 5 0 0 3 重庆交通大学水利水运工程教育部 重点实验室 重庆4 0 0 0 7 4 摘要 把土质库岸路基内地下水的渗流状态简化为4种渗流模型 基于渗流力学理论 建立各渗流模型路基内任 意点的孔 隙水压力计算方法 关键词 土质库岸路基 孔隙水压力 计算方法 文章编号 1 0 0 9 6 4 7 7 2 0 1 0 0 2 0 0 0 1 0 4 中图分类号 U 4 1 6 1 文献标识码 A Ca l c u la t i o n Me t h o d s f o r P o r e W a t e r Pr e s s u r e i n So i l B a n k Ro a d b e d T O N G D i k e C HE N Mi n g WA N G J u n j i e Ab s t r a c t T h i s p a p e r s i mp l i fi e s t h e s e e p a g e s t a t e s o f u n d e r g r o u n d wa t e r i n s o i l b a n k r o a d b e d i n t o f o u r s e e pa g e mo d e l s a n d e s t a bl i s h e s t h e c a l c ul a t i o n me t h o ds f o r po r e wa t e r p r e s s u r e i ns i d e t h e r o a d be ds o f a l l s e e pa g e mo d e l s ba s e d o n t h e s e e pa ge me c ha ni c s t he or y Ke y wo r ds s o i l ba nk r o a d b e d p o r e wa t e r p r e s s u r e c a l c ul a t i o n me t h o ds 山区公路受地形限制 多沿江 河布线 形成 沿河路基 沿河路基的修筑 改变了近河侧路基边 缘的水动力条件 进而改变 了路基 的水文地质条 件 致使路基 同时受到河水的冲刷和地下水的渗透 与浸泡等共同作用 因此 由于河水和岸坡地下水 的存在 沿河路基与其它路基相比 更容易发生失 稳 破坏l l 由于受地形 水文 地质等条件的限制 沿河 路基容易失稳破坏 失稳破坏不仅导致交通不畅甚 至完全中断 而且失稳破坏后路基加 固处治措施的 实施难度通常很大 因此 研究如何确保沿河路基 的稳定对沿河公路的畅通具有重要意义 地下水的动态变化和渗流状态变化 将影响路 基岩土体的物理力学性质 影响路基岩土体 内的孔 隙水应力 有效应力的大小和分布 5 1 因而也影响 路基岩土体的稳定性和路基挡墙的稳定性 在地下 水水位上升或下降变化过程 中 同时存在对路基岩 土体和路基挡墙的稳定性有利和不利的因素 在沿 河路基稳定性研究中应客观 全面考虑这些 因素 以确保路基稳定性评价方法的合理性 在有些情况 下 虽然地下水水位在一定时间内能够保持不变 但由于路基地下水和河 库 水问存在水力联系 地 下水并不一定处于静止状态 地下水的渗流状态对 路基岩土体内的应力场是有影响的 在沿河路基稳 定性研究 中 对此也应考虑 否则 很难确保路基 稳定性评价方法的合理性 要弄清地下水对路基稳定 的影 响问题 首先 需要解决路基内孔 隙水压力 的计算方法 本文 即 研究 了稳定渗流条件下土质沿河路基 内孔 隙水压 力的计算方法 1 路基 地下水 渗流 简化 模型 沿河路基所处的水文条件和水文地质条件非常 复杂 路基地下水与地表河水之间常有水力联系 路基地下水很可能处于渗流状态 不同渗流条件下 的孔隙水压力是不同的 因而 不同渗流条件下作 用于路基防护结构物上 的土水压力大小也不一样 可见 地下水的渗流状态对路基及其防护结构物的 稳定性是有影响的 研究不 同渗流状态下路基孔隙 水压力 的计算方法也是有价值的 实际上 路基地下水和地表水之间的水力联系 情况因路基与河流的空间位置关系的不同 河水水 文特征的不同 路基防护结构形式 的不同 路基岩 土体的透水性 的不 同 路基排水结构布置形式和有 效性的不同等多种原因而显得异常复杂 为了能够 从理论上研究路基地下水渗流引起 的孔隙水压力的 基金项 目 交通部西部交通建设科技项 目 2 0 0 8 3 1 8 7 4 0 0 6 重庆市 自然科学基金重点项 目 2 0 0 9 B A6 0 0 1 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 0 9 作者简介 童第科 1 9 7 3 一 男 甘肃省会宁县 人 本科 高工 2 公路交通技术 2 0 1 0血 计算方法 有必要对路基地下水的渗流条件进行适 当简化 在大量调研基础上 结合现有研究水平 将路 基内地下水的渗流情况简化为以下 4种模型 模型 1 路基地下水处于相对静止状态 即地 下水位以下部分路基为饱和状态 地下水没有渗 流 如图 1 a 所示 模型 2 路基地下水为稳定渗流 地下水渗流 方向为竖直 向下 如图 1 b 所示 模型 3 路基地下水为稳定渗流 地下水渗流 方向为竖直向上 如图 1 c 所示 模型 4 路基地下水处于稳定渗流状态 地下 水的渗流方向为曲线 路基地下水从设在墙背的排 水系统排出 如图 1 d 所示 2 路基内任意点孔隙水压力计算 2 1 模型 1孔隙水压力计算 对于图 1 a 所示 的情况 由于路基没有设置排 水系统或设置的排水系统失效 渗入路基的地下水 不 能有效排 出 使得路基土体处于饱和状态 当 然 在实际工程中 路基地下水位的高程很少出现 与路面平齐的情况 但并不是不存在出现这种情况 的可能 a 地下水处 于静止无渗流状 态 在图 1 a 坐标系下 假定路基挡土结构物的高 度为 日 地下水位 与地 面平齐 则路基 中任 意点 z 处 的总水头 h x z 可依下式计算得到嘲 h x z 1 式 中 h x z 为路基中任意点 z 的总水头 日 为路基防护结构物的高度 路基 中任意点的孔 隙水压力可按下式计算得 到 l 7 u x Z Y w h x z 一Z 2 式 中 u x z 为路基 中任意点 X Z 的孔隙水压 力 Y w 为水的重度 将式 1 代入式 2 可得路基地下水处于静止 无渗流状态时的孔隙水压力计算式为 u x z J 日一z 3 2 2 模型 2孑 L 隙水压力计算 图 1 b 所示的情况为路基地下水竖直 向下渗 流 当路基挡土结构物的透水性很差 如混凝土挡 土墙 河水在高水位后快速下降 路基底部基岩 埋深较大时 可发生类似于图中所示的地下水渗流 情况 为确定这种渗流情况下路基内孔隙水压力 在 路基内任意点取单元体 图 1 b 单元体 的高度 为 底面积为 A 作用于单元体的各力分别计算 c 地下水处于竖直向上的稳定渗流状态 d 地下水流线为曲线的稳定渗流状态 图 1 路基地下水渗流状态简化模型 r 1 1 2 0 1 0年 第2 期 童第科 等 土质库岸路基内孔隙水压力的计算方法 3 如下 嗍 作用于单元体上表面的水压力 F F h z 一Z l d A 式中 n为路基土的孔隙度 作用于单元体下表面的水压力 F 2 身所含水体 的重力 分别为 地表面处 水头 h x z 在墙土界面 由于是 地下水的排出边界 水头为 h O z z 在路基底 4 面 由于是不透水边界 则下式 单元体本 F 2 h z d z 一 Z d z y w n d A 5 Ww Y w n d Ad z 6 单元体水渗流所受到的路基土体的阻力 即渗 透力 J n d Ad z 7 式中 i 为水力坡降 单元体的力平衡条件为 Fl J F 2 8 将式 4 7 代入式 8 得路基 中任意点 的 总水头计算式为 h z H f H Z 9 将式 9 代入式 2 可得路基 中任意点的孔隙 水压力为 u z 1 z z 一z I 1 一z 1 一f 1 0 2 3 模型 3孔隙水压力计算 图 1 c 所示 的情况为路基地下水竖直 向上渗 流 当路基挡土结构物的透水性很差 如混凝土挡 土墙 河水水位上升 路基底部基岩埋深较大时 可发生类似于图中所示的地下水渗流情况 确定这种渗流情况下路基内任意点孔隙水压力 的方法与 2 2 节基本相同 但是路基中任意点的总 水头计算式应改为 h z H i H z 1 1 将式 1 1 代人式 2 可得路基中任意点的孔 隙水压力为 z z 一z 一z 1 f 1 2 2 4 模型 4孔隙水压力计算 图 1 d 所示 的情况为路基地下水沿墙 土界 面 排水系统排 出 当路基挡土结构物为透水性材料 如石笼 或路基排水系统沿墙土界面布置 河水水 位快速下降 路基底部为不透水基岩时 可发生类 似于图中所示 的地下水渗流情况 这种情况 的地下水渗流条件较复杂 曾有多位 学者 对此 进行 研究 如 Ha r r 但直 到 最 近 B a r r o s 1 1 对该 问题 建立 了解析 解 这里 简要介 绍 B a o s 的求解方法 如图 1 d 所示 假定地下水位与地面平齐 在 l 瑚 0 1 3 dZ 由渗流的连续性条件和达西定律可知 拉普拉 斯微分方程是成立的 即 2 1 z 0 1 4 为了解决该问题 沿着垂直方向将 h x z 用 傅立叶级数展开 即 h x z 一 0 墒 L m L 式 中 函数 A 可以由边界条件和拉普拉斯微分 方程推导 边界条件 X 0时 有 日 z I 那么 A O 可 由傅立叶级数理论得到 2 s in 式中 b 1 一Z H 则 式 1 7 的积分结果为 A 0 A 0 一 1 6 8 1 6 即 1 7 1 8 另一方面 当 时 要求 l i mA 0 1 9 将 式 1 5 代人 式 1 4 中 同时考虑式 1 8 和 1 9 的边界条件 可得 A A o 一 2 0 进一步得到路基 中任意点的水头为 z 日 一 耋 1 斋 一Mxm 0 s in L JJ J 日 一 斋 P Mx co s等 c2 式 中 2 2 将式 2 1 代人式 2 可得路基 中任意点的孔 隙水压力计算式为 u x z 一 卜 4 公路交通技术 2 0 1 0血 一 鲁 cos鲁 z 3讨论 为了比较不同渗流模型条件下路基内孑 L 隙水压 力的异同 假定某路基地下水 的渗流状态分别为前 述 4种模型 路基挡墙高 5 0 i n 此时 作用于路 基挡墙背面的孔隙水压力分布如图 2所示 由图 2可知 模 型 4的墙背孔隙水压力为零 是 4种地下水渗流模型中最小的 也就是当墙背为 有效排水系统时 作用于墙背的孑 L 隙水压力为零 模型 1 3中 墙背孑 L 隙水 压力均沿墙高呈线性分 布 但模型 3的墙背孔隙水压力最大 模型 2的墙 背孔隙水压力最小 模型 1 的孔隙水压力居中 也 就是说 与地下水静止状态 模型 1 相 比 地下水 向下渗流 模型 2 有助于减小墙背孔隙水压力 地 下水向上渗流 模型 3 将使墙背孔隙水压力增大 4 结语 沿河路基 内孔隙水压力的计算是沿河路基防护 结构物设计计算中的主要内容 也是目前的研究热 点和技术难点 本文首先把路基地下水渗流状态简 化为 4种典型的渗流模型 然后通过理论分析建立 了路基内任意点的孔隙水压力计算方法 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 空 隙水压力 k P a 图 2 地下水渗流状态对墙背孔隙水压力的影响 实际工程中 地下水的渗流条件更加复杂 渗 流状态也多为非稳定渗流 因此 尚需进行专门 深入的研究 以逐步弄清路基 内孔隙水压力的分布 规律 提 出更加符合实际的计算方法 参 考 文 献 1 高冬光 公路与桥梁水毁防治 M 北京 人民交通出版 社 2 0 0 2 2 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 西藏自治区交 通科学研究所 西藏公路水毁研究 M 成都 四川科 学 技术出版社 2 0 0 1 3 梁光模 程尊兰 张正波 等 西藏干线公路修筑技术研 究之一 沿河公路 路基 防护技术及水力计算 M 成都 四川出版集 团 一四川科学技术出版社 2 0 0 4 I 4 I胡元鑫 柴贺军 山区公路沿河路基动态失稳机理研究 综述 1 一水在岩土体中的渗流 重庆交通学院学报 2 0 0 7 2 6 3 9 6 1 0 2 5 张丽娟 王俊杰 柴贺军 等 库水动态对沿岸路基应力 的影响f J 1 岩土力学 2 0 0 7 2 8 增 8 6 3 8 6 7 6 顾慰慈 渗流计算原理及应用 M 北京 中国建材工业 出版社 2 0 0 0 7 Wa n g J u n J i e C h a i H e J u n L i n X i n e t a t C o u l o m b t y p e s o l u t i o n s f o r p a s s i v e e a r t h p r e s s ur e wi t h s t e a d y s e e p a g e J F r o n t i e r s o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g i n C h i n a 2 0 0 8 2 1 5 6 6 6 8 Wa n g u n J i e Z h a n g Hu i P i n g C h a i He J u n e t a1 S e i s mi c p a s s i v e r e s i s t a n c e wi t h v e r t i c a l s e e p a g e a n d s u r c h a r g e J S o i l D y n a mi c s a