宋 妍，王光輝

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

目前，國內(nèi)外大型干塢放排水施工監(jiān)測參考分析資料十分稀少，相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料對此種工況的參考價(jià)值也是十分有限。文獻(xiàn)［1-2］肯定了ANSYS計(jì)算軟件在滲流分析中的有效性，并依托工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)涉及到了水頭、滲透系數(shù)及含水量等影響因素的分析;文獻(xiàn)［3］利用有限元的方法分析了受雨水浸潤的邊坡和路肩應(yīng)力、應(yīng)變情況，找出雨水浸潤和車輛荷載對邊坡失穩(wěn)和路肩破壞的影響程度，從而為牧區(qū)道路的設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論依據(jù);文獻(xiàn)［4］探討了堤防土質(zhì)在浸水后強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律及堤防穩(wěn)定情況，并對洪水長時(shí)間浸泡后堤防的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了預(yù)測;文獻(xiàn)［5］分析了水位升降、降水、裂隙等因素對堤防安全的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［1-5］從各個(gè)角度分析邊坡與內(nèi)外水的相互作用，但均缺乏實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效支持，并且干塢內(nèi)邊坡放排水速率有別于降水及洪水。以生物島—大學(xué)城沉管隧道施工為例，對大型干塢放排水過程中邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算并對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。

1 工程概況

生物島—大學(xué)城隧道工程位于廣州市的東南部，連接生物島與大學(xué)城，隧道線路呈南北走向。本標(biāo)段為A標(biāo)段，A標(biāo)段工程的起訖里程為SK0+265～+817，全長552 m，包括214 m的沉管段和338 m的北端岸上段。在北端邊岸上段基坑內(nèi)，能滿足一次性預(yù)制全部3節(jié)管段和北端27．5m接口段主體施工的場地需要。214 m的沉管段分為E1，E2和E3 3節(jié)管段，每節(jié)管段的長度分別為94，116，4 m。設(shè)計(jì)采用北端軸線干塢方案，塢底標(biāo)高為-5．61 m，接頭段主體結(jié)構(gòu)標(biāo)高和塢底標(biāo)高能夠錯(cuò)開，在高潮位時(shí)滿足管段浮運(yùn)出塢要求，最后完成273 m明挖暗埋管段施工。

北端岸上段基坑?xùn)|側(cè)為土質(zhì)邊坡，由上到下依次為人工覆土、〈3-2〉粉細(xì)砂、〈5-1〉砂質(zhì)黏性土(殘積-可塑)、〈5-2〉砂質(zhì)黏性土(殘積-硬塑)及〈6〉全風(fēng)化層。放坡開挖支護(hù)形式主要有預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)噴支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索，坡面設(shè)有排水孔，邊坡施作過程中應(yīng)注意保護(hù)邊坡原狀土。放坡開挖掛網(wǎng)噴射混凝土厚度為100 mm和120 mm，網(wǎng)片約21000 m2，混凝土量約為2 200 m3;預(yù)應(yīng)力錨桿采用直徑16～18 mm錨桿，間距1 300～1 500 mm，長度為6～28 m，傾角20°，總長度約為77 600m;預(yù)應(yīng)力錨索采用2～4根鋼絞線，每根鋼絞線由直徑5 mm的7根盤條組成，間距1 200 m，長度為20 ～36 m，傾角分別為20°，30°和45°，總長度約為28200m。西側(cè)為旋噴樁和鉆孔灌注樁樁錨支護(hù)。干塢西側(cè)旋噴樁有131根，直徑800mm，間距1200mm，深度為13 m，總長度為1 703 m;干塢端頭(接口段，即東側(cè))鉆孔灌注樁有30根，直徑800 mm，間距1 200 mm，深度為11～24 m，總長度為482 m;干塢西側(cè)鉆孔灌注樁有130根，直徑1 000 mm，間距1 200 mm，深度為17 m，總長度為1 870 m。

東側(cè)土質(zhì)邊坡經(jīng)歷放坡開挖、管段制作、管段浮運(yùn)、邊坡二次開挖等復(fù)雜工況，為國內(nèi)施工監(jiān)測少見項(xiàng)目。

2 數(shù)值模擬方案及結(jié)果分析

2．1 數(shù)值模擬方案

邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算方法有很多，如條分法、數(shù)值分析方法、塑性極限方法、可靠度方法和模糊數(shù)學(xué)方法等。目前，對于土質(zhì)邊坡來說，邊坡穩(wěn)定分析方法主要分2類，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法。

ANSYS是一個(gè)功能強(qiáng)大的有限元軟件，邊坡穩(wěn)定分析就是利用ANSYS可對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能來做的，即:根據(jù)有限元程序計(jì)算得到的應(yīng)力場來計(jì)算各點(diǎn)的安全系數(shù)，然后利用ANSYS強(qiáng)大的后處理功能繪出安全系數(shù)等值線，安全系數(shù)最小的那條等值線就是最可能的滑裂面，其安全系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)。

求出了各點(diǎn)(在ANSYS中實(shí)際上是各單元的高斯積分點(diǎn))安全系數(shù)F后，就可以用ANSYS繪出F的等值線圖。F＞1部分的抗滑力大于滑移力，是穩(wěn)定的。F＜1部分如果等值線穿越凌空邊界，則這部分不但有滑移的趨勢而且有滑移的可能，是不穩(wěn)定的，且F等值線就是滑移線;F＜1的部分如果等值線成為封閉曲線或與固定邊界成為封閉曲線，其包圍的部分雖有下滑的趨勢，但封閉區(qū)域以外的部分是不滑動(dòng)的，所以封閉區(qū)域以內(nèi)的部分受外面部分的約束也沒有滑移的可能，仍然是穩(wěn)定的。如果所有的F都大于1，則最小的F就是該邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)［1］。

ANSYS沒有直接進(jìn)行滲流分析模塊，但可以用熱分析模塊進(jìn)行滲流分析。土體滲流問題與溫度場問題的控制方程與定解條件在數(shù)學(xué)上是一樣的，只需要將溫度場介質(zhì)換成土體介質(zhì)，相應(yīng)的參數(shù)換為求解滲流場的參數(shù)，就可以采用ANSYS軟件中溫度場分析功能進(jìn)行滲流場的分析計(jì)算。

2．2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

邊坡內(nèi)部水頭值均采用實(shí)測數(shù)據(jù)，邊坡內(nèi)外水位差選取抽水過程中的最大值進(jìn)行模擬，即邊坡內(nèi)水位為0．06 m，邊坡外水位約為-5．0 m。干塢底部淤泥以荷載形式作用在坡腳處。邊坡巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示，模擬時(shí)滲透系數(shù)以埋深函數(shù)形式定義。

表1 巖土層力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock and soil strata

圖1為受靜水壓力作用下邊坡的變形。圖2為利用ANSYS溫度場對邊坡進(jìn)行的滲流分析。鑒于滲流場與應(yīng)力場耦合帶來的諸多不便及誤差，本次模擬嘗試提取圖1中各節(jié)點(diǎn)水頭值，重新建立模型后，將各節(jié)點(diǎn)的水頭值轉(zhuǎn)化為滲透力作用在新模型相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖1 干塢放水后邊坡變形(單位:m)Fig．1 Slope deformation after water filling(m)

圖2 邊坡滲流分析(單位:m)Fig．2 Analysis on slope seepage(m)

圖3 干塢排水后邊坡變形(單位:m)Fig．3 Slope deformation after water discharging(m)

圖中3條水平臺由下向上分別稱為塢底、8．3 m平臺及邊坡頂部。水頭值沿Y軸方向，水位測點(diǎn)設(shè)在8．3 m平臺上，最高水頭設(shè)定是以實(shí)測數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過反復(fù)計(jì)算確定在邊坡頂部附近的32．7 m。圖4中邊坡最小安全系數(shù)為1．08，在塢底和邊坡頂部，對邊坡穩(wěn)定沒有構(gòu)成威脅。8．3 m平臺下有若干條潛在滑裂面，因安全系數(shù)均大于1．3，故可認(rèn)為干塢排水對邊坡穩(wěn)定沒有影響。

圖4 邊坡安全系數(shù)計(jì)算Fig．4 Calculation of safety factor of slope

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

干塢2009年2月18號放水，第1階段放水至高程1．6 m處進(jìn)行管段檢漏(低水位檢漏);2月27日，干塢第2階段放水至高程5m處(高水位檢漏)。邊坡內(nèi)水位從2009年2月19號開始明顯上升，直到2009年3月12號上升到5m左右，與干塢內(nèi)水位基本持平。

干塢及測點(diǎn)布點(diǎn)如圖5所示，測點(diǎn)布置在8．3 m平臺上。

圖5 干塢及水位孔布點(diǎn)Fig．5 Dry dock and layout of piezometer holes

3．1 干塢內(nèi)放水

2009年2月19號至2月22號邊坡內(nèi)水位變化明顯，4 個(gè)水位孔內(nèi)水位累計(jì)變量分別為 4．65，4．50，4．50和4．57m，水位平均上升速度分別為0．93，0．90，0．90 和0．91m/d。至2009年2月22日邊坡內(nèi)水位約為1 m，稍低于干塢內(nèi)水位1．6 m。2009年2月23號至2月27號，水位變化趨向于平緩，4個(gè)水位孔水位累積變化量分別為0．91，1．14，0．91 和0．76 m，水位平均上升速度分別為 0．18，0．23，0．18 和 0．15 m/d。2 月 27 日，干塢繼續(xù)放水至高程5 m處，2009年2月27日至3月1日邊坡內(nèi)水位上升速度小于第1階段，4個(gè)水位孔內(nèi)水位平均上升速度分別為 0．68，0．67，0．62 和 0．62 m/d。至2009年3月1日，邊坡內(nèi)水位約為4 m左右。從2009年3月2日開始水位上升速度減緩，2009年3月2日至2009年3月18日，12d 4個(gè)水位孔內(nèi)水位累積變化量分別為 0．78，0．75，0．91 和0．66 m，水位平均上升速度 0．065，0．062，0．076 和 0．055 m/d。至 2009年3 月18 日，4 個(gè)觀測點(diǎn)內(nèi)水位分別為4．78，5．00，4．97和5．02 m，基本持平于干塢內(nèi)水位?？梢姡^是影響邊坡內(nèi)水位上升速率的主要因素，第1，2階段水頭分別約為7．2和3．4m;排水孔對邊坡內(nèi)水位提升有助力作用;錨網(wǎng)噴混凝土層具有一定的防水能力。邊坡內(nèi)水位歷時(shí)曲線如圖6所示。

圖6 放水期間邊坡內(nèi)水位歷時(shí)曲線Fig．6 Curves of water head inside slope during water filling

3．2 干塢內(nèi)排水

塢門破除后，干塢基坑內(nèi)的水與官州河連成一整體，基坑內(nèi)水位每天隨官州河潮汐漲落而波動(dòng)，此時(shí)邊坡內(nèi)的水位也會有一些變化，如圖7所示。官州河漲潮時(shí)，基坑內(nèi)的水位升高，邊坡內(nèi)的水位也隨之升高，且升高速度很快，基坑內(nèi)水位稍微高于邊坡內(nèi)的水位，但相差不大;官州河落潮時(shí)，基坑內(nèi)的水位降低，邊坡內(nèi)的水位也隨之降低，但降低速度較慢，基坑內(nèi)水位明顯低于邊坡內(nèi)的水位。同時(shí)，C18水位孔靠近接口段，與其他水位孔相比，多了一個(gè)方向的水源供給，在潮汐漲落過程中，該孔的水位相比其他水位孔的水位處于極端位置。圖7中監(jiān)測16次之前是每天高低潮汐時(shí)測得的邊坡內(nèi)水位，高潮汐時(shí)邊坡內(nèi)最高水位達(dá)5．72 m，低潮汐時(shí)邊坡內(nèi)最低水位為5．05 m，時(shí)測管州河高潮汐為5．8 m，低潮汐為4．5 m，可見坡外水體進(jìn)入邊坡的速度大于邊坡內(nèi)水體流失的速度。

圖7 排水期間邊坡內(nèi)水位歷時(shí)曲線Fig．7 Curves of water head inside slope during water discharging

二次圍堰選擇在官州河低潮位時(shí)封閉，有效減少基坑內(nèi)排水的工作量。在基坑排水的過程中，監(jiān)測基坑內(nèi)、外水位的變化速度，以邊坡內(nèi)(基坑外)水位降低的速度來控制下一步基坑內(nèi)排水速度?；觾?nèi)外水位及差值的曲線如圖8所示。由圖8可知:在基坑內(nèi)排水的同時(shí)，邊坡內(nèi)的水位也明顯降低，但邊坡內(nèi)水位降低速度明顯慢于坑內(nèi)水位降低速度。隨基坑排水，邊坡內(nèi)外水位差在逐步增大，由最初的平均1 m到平均3 m，為保證邊坡安全，加密監(jiān)測的同時(shí)減少日抽水量;抽水結(jié)束后邊坡內(nèi)水位仍有少許下降。

圖8 基坑內(nèi)外水位及差值的曲線Fig．8 Curves of water heads inside and outside foundation pit and their differences

3．3 邊坡放排水期間變形分析

H1～H11均勻分布在8．3 m平臺之上，H1始于邊坡始端接口段，H11靠近邊坡尾端樁錨支護(hù)段?，F(xiàn)場采用H2～H10監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，如圖9所示。邊坡始端變形小于邊坡尾端變形，分析原因在于H2靠近的接口段采取地下連續(xù)墻及交叉錨索施工，相當(dāng)于重力式擋土墻給予邊坡始端很好的保護(hù)，相比之下H10附近的樁錨支護(hù)對邊坡尾端的保護(hù)欠之。對比干塢放水期間邊坡內(nèi)部水位，如圖7所示，邊坡H10點(diǎn)處的沉降與水位變化基本同步;如圖10所示，經(jīng)過近半年的浸泡，于9月16日干塢開始排水到24日結(jié)束，邊坡沉降基本與圖7中水位變化同步，排水結(jié)束后邊坡變形趨于平穩(wěn)。

圖9 邊坡放水期間邊坡沉降Fig．9 Slope settlement during water filling

圖10 邊坡排水期間沉降歷時(shí)曲線Fig．10 Slope settlement during water discharging

數(shù)據(jù)顯示邊坡在干塢放水期間的最大變形(11．31 mm)大于干塢排水期間的最大變形(-9．86 mm)，由于現(xiàn)場沒有對邊坡土體進(jìn)行放排水前后力學(xué)試驗(yàn)，無法確切判斷邊坡在水中長期浸泡后力學(xué)參數(shù)的改變情況，參考相關(guān)資料，分析原因有三:1)土體彈塑性。當(dāng)邊坡放水時(shí)，在超過0．1 MPa的靜水壓力作用下，邊坡局部土層產(chǎn)生塑性變形，而大部分土體還處于彈性變形范圍內(nèi);當(dāng)邊坡排水時(shí)，塑性變形無法完全恢復(fù)，但彈性區(qū)變形可以恢復(fù)，所以抽水后邊坡的累計(jì)變形小于放水時(shí)期邊坡的累計(jì)變形?？梢约僭O(shè)，外部水體浸入為邊坡的“吸”，內(nèi)部水體滲出為邊坡的“吐”，如果邊坡再次“吸吐”水體，邊坡的累計(jì)變形量差會逐步衰減下去。2)靜水壓力。水侵入邊坡內(nèi)部后，盡管會使之自重增加，但靜水壓力的推擠作用更加強(qiáng)大使之向坑外變形，使累積變形逐步恢復(fù)。3)有效應(yīng)力。土中總應(yīng)力是不變的，放水時(shí)孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力較之前減小，邊坡有恢復(fù)原狀態(tài)的趨勢;排水時(shí)孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增大，迫使土體產(chǎn)生較大變形。因土體中沒有蒙脫石等遇水膨脹的土質(zhì)，所以不在考慮范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)由于參數(shù)選取、施工效果、支護(hù)等不確定因素，使有限元軟件在巖土數(shù)值模擬方面存在很大困難。以本工程為例，嘗試在沒有滲流場與應(yīng)力場耦合的情況下，將滲流場計(jì)算得到的水頭轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)場下的滲透力，計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，但從邊坡變形量與實(shí)際對比，此種方法仍有不成熟處。

2)點(diǎn)安全系數(shù)法在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性是可行的，但準(zhǔn)確程度有待進(jìn)一步調(diào)試。

3)ANSYS模擬邊坡錨桿錨索支護(hù)，通過提高周邊土體參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，參數(shù)具體數(shù)值與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系密切。

4)干塢放、排水2個(gè)階段，邊坡幾乎同時(shí)完成對水的“吸、吐”過程?！拔边^程中邊坡變形大于“吐水”過程中邊坡的變形，并且邊坡的“吸水”速度大于“吐水”速度，由于邊坡持水能力，造成邊坡內(nèi)外水差局部最大達(dá)4 m，對邊坡穩(wěn)定造成威脅。

5)不同于堤壩水位的頻繁迅速升降，干塢排水的速率對邊坡穩(wěn)定性有極大的影響。

6)基坑內(nèi)水體對邊坡的反壓效果，可以有效較小邊坡的不利變形。

7)邊坡內(nèi)部滲流并未對邊坡穩(wěn)定造成危害，微量流砂未對邊坡土體的強(qiáng)度造成影響。

8)在控制邊坡滑動(dòng)時(shí)錨桿、錨索可以被動(dòng)的發(fā)揮作用，而控制邊坡的變形則十分有限。錨桿、錨索提高了潛在滑動(dòng)面土體的整體性及強(qiáng)度，也使邊坡土體內(nèi)部剛度不連續(xù)，致使局部出現(xiàn)較大的屈服應(yīng)力和變形。

9)邊坡兩翼歷史累積變形大于邊坡中部。在邊坡內(nèi)外水作用下，由于邊坡兩翼約束方式不同，使之因“吸、吐”水產(chǎn)生的變形也有差異。

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