案例17：渗流作用下的板桩墙

本案例主要讨论的渗透下压对板桩墙的影响，如图17.1所示。墙体是不透水的，墙体开挖了10米，开挖部分的水位 d_w 可以变化。由于墙的左右两侧的水头不同（对于 d_w＜10m），壁尖附近会发生地下水流动并进入开挖区域（如图17.2所示）。

图17.1 渗流作用下的板桩墙

图17.2 流动矢量图与竖向有效重度，（kN/m³），d_w = 2m

一个关键的参数是有效单位重度：（可在结果中的孔隙水压力下得到）：

                                                                                                    (17.1)

对于本案例的问题，需要考虑的是垂直分量。饱和重量为 19 kN/m³，对应的超静孔隙水压力分布的有效重度为  = 9.2 kN/m³。如图17.2所示，可以看到，从墙体上半部到接近尖端处，有效重度从大约11 kN/m³增加到15 kN/m³；相反，在墙体的右侧，有效重度减小到最小值约 3 kN/m³。在开挖的底部，有效重度大约为 6 kN/m³，这意味着没有即时破坏的危险。

通过强度折减法来分析不同水位 d_w 对应的稳定性，在本案例中，采用了相对疏松的网格，网格数量为1000（上下限解）。结果如表17.1所示，和预估的一致，随着开挖水位的降低，安全系数逐渐降低。当 d_w = 0，墙体非常接近极限稳定状态。事实上，下限解分析显示的结果是不稳定状态，而上限解分析则显示是稳定状态。墙体稳定还是不稳定，可以通过增加网格单元的数量，或者使用软件自带的网格自适应功能来解决。

表17.1 不同水位 d_w 的强度折减系数，FS

值得注意的是，水位在5m左右时的破坏模式发生了根本性的变化。水位较高时，墙内的弯矩非常有限，破坏模式为与墙体连接点处的刚性旋转；随着水位的降低，墙体强度得到充分利用，在墙体大约一半的地方形成一个屈服铰，如图17.所示。

图17.3 高水位（左）和低水位（右）的弯矩（kNm/m）及破坏模式