陳義軍 王貴南 熊中恒 陳昌澤

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 3.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速增長，莆田市人口越來越密集，這也加快了城區(qū)內(nèi)河流的污染速度，在河流全線清淤過程中就會產(chǎn)生邊坡問題，因此城市中內(nèi)河的邊坡問題也值得我們?nèi)タ紤]。城區(qū)邊坡如果發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，輕則影響減緩清淤工程的進展及交通運輸，阻礙人們的生產(chǎn)生活，重則造成人員傷害，危害人們的人身財產(chǎn)安全。目前，邊坡穩(wěn)定性分析一是定性分析，二是定量分析?；轮卫泶胧┤找娉墒?，常見的有錨桿錨索、抗滑樁，擋墻等等。劉建等[1]使用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性，并采用錨桿錨索及抗滑樁組合支護對邊坡加固。楊洪福[2]利用MIDAS有限元模型分析高速公路高邊坡治理工程，最后選用出合理角度的削坡加錨桿支護的治理方案。謝武軍等[3]結(jié)合某一河岸高邊坡實例，運用Slide和Flac3D進行建模和計算分析。劉向上等[4]利用Midas/GTS NX對某一露天礦山邊坡穩(wěn)定性進行分析，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，建立一個測度理論，為邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)、可靠的方法。

福建省莆田市涵江區(qū)群英河淤泥黑臭問題日益凸顯，涵江區(qū)委決定實施清淤工程?；谏鲜鰧W(xué)者們對邊坡數(shù)值分析研究和成功支護邊坡方案例子，對群英河邊坡支護治理進行數(shù)值模擬分析，提出支護方案使邊坡穩(wěn)定，以免在清淤過程中給施工人員造成傷害。本文采用三維有限元數(shù)值模擬方法，對群英河存在失穩(wěn)的邊坡進行支護，通過數(shù)值模擬對比兩種支護方案的合理性與有效性，對于莆田市地區(qū)今后類似的工程有借鑒性意義。

1 邊坡工程概況

1.1 工程背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，再加上莆田市處于沿海地區(qū)，風(fēng)景優(yōu)美，來此經(jīng)商、居住的人也越來越多，因此帶來的環(huán)境問題就更加引起人們的關(guān)注。城區(qū)內(nèi)的河流水系繁雜，河內(nèi)淤泥的增多，黑臭問題嚴重。莆田市為吸引更多游客和來此經(jīng)商的人，決定實施清淤工程，在群英河清淤過程中，必須對岸坡進行支護，防止危害施工人員的人身安全。

群英河河道較窄，河道內(nèi)淤泥沉積厚度0.5 m～2.5 m。河水也受到污染，顏色發(fā)黑，河道兩邊建筑密集，大多是居民房。河道護岸直立，右岸為漿砌石擋墻，擋墻質(zhì)量完好，左岸部分條石外露，被河水浸泡侵蝕，強度有所降低。河岸有些地方緊鄰居民樓。河道淤泥發(fā)黑發(fā)臭，混合有生活垃圾及石塊顆粒。河道內(nèi)淤泥黑臭問題嚴重影響市政面貌環(huán)境和周圍居民正常的生活起居(見圖1)。

1.2 場地位置

涵江區(qū)位于福建省莆田市，地處東北部、福建沿海中部。群英河是涵江城區(qū)重要的內(nèi)河，群英河位于涵江區(qū)西街道，涵華西路以北，塘北街以西。工程場地屬于海陸交互地帶，地形平坦，地勢北部稍高。

群英河自六一西路暗涵流出，向南途徑閩中水產(chǎn)品批發(fā)市場直至塘北街、安達路交匯處，再流入梧梓河，全長730 m，河寬5 m～30 m，水深0.3 m～1.5 m，底部有淤泥混有大量城市垃圾。群英河位于城市建成區(qū)，周邊多為民房，兩岸均已建漿砌石擋墻，均采用的是淺基礎(chǔ)。

1.3 巖土層分布特征

根據(jù)現(xiàn)場鉆探成果，搜集資料及現(xiàn)場地質(zhì)測繪成果，場地覆蓋層主要有雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、殘積黏性土。

⑦殘積砂質(zhì)黏性土(Qel)：以黃褐色、灰黃為主，干強度中等，韌性低，本層在場地均有揭露，未揭穿，揭露厚度1.80 m～9.70 m，平均厚度4.29 m，本層進行標(biāo)貫試驗7次，實測擊數(shù)12擊～18擊，平均值12.1擊，標(biāo)準(zhǔn)值11.0擊。該場地土層參數(shù)及支護剖面如表1和圖2所示。

表1 土層參數(shù)

2 邊皮支護三維有限元模擬

2.1 邊坡支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)施工的材料有兩種支護方案，方案一是在距離擋土墻邊3 m，采用6 m的松木樁進行支護，松木樁是用松木制作的木樁，主要用于處理軟地基、河堤等，原料為松木。松木樁緊密排列，橫截面為實心圓形，樁徑200 mm，清淤后塊石回填。方案二是在距離擋墻3 m，采用6 m塑鋼板樁支護，樁截面為U型，寬度400 mm，厚度為100 mm，間隔2 m。擋墻附近3 m清淤30 cm后塊石回填。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)現(xiàn)場的勘察，以及參照同地區(qū)相似邊坡已有的工程資料，劃分出各土層的平均厚度，岸坡一方選用土層總厚度11.3 m，河道一方選用土層總厚度9 m，橫向?qū)挾?5.7 m。

本模型采用有限元的一般假設(shè)，對實際工程進行假設(shè)，邊坡模型按照勘察資料，共有7個土層，土層分別是雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土、殘積黏性土。

GTS NX(New eXperience of Geo-Technical analysis System)是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件。Midas/GTS NX相對于Flac3D[5]建模的優(yōu)點是操作簡單，廣泛適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析。使用Midas/GTS NX建立3D的單元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的原則是邊坡坡面處以及支護坡面處稍微密集，網(wǎng)格間距為1 m；邊界稍微稀疏，網(wǎng)格間距為1.5 m；中間部分網(wǎng)格從1 m到1.5 m過渡，3種網(wǎng)格劃分狀態(tài)。根據(jù)勘察資料，本文邊坡巖土體和支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表2所示。

表2 場地地層參數(shù)

2.3 有限元模型信息

依據(jù)已知土層和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，計算分析使用不同支護樁下沉降位移云圖。考慮到模型尺寸和邊界條件，兩種支護方案模型尺寸大小為長25.7 m，邊坡一側(cè)高為11.3 m，河道一側(cè)高9 m松木樁和塑鋼板樁的長度都是6 m。

邁達斯[6]網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)：松木樁[7]支護模型節(jié)點數(shù)據(jù)有1 614個，單元數(shù)量有1 250個。塑鋼板樁支護模型節(jié)點數(shù)據(jù)有1 614個，單元數(shù)量有1 250個，如圖3所示。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過三維有限元模型，分析了清淤完成后兩種支護方案下的位移變化包括豎向的和水平向的，提取了兩種方案狀態(tài)下豎向位移云圖(Z)以及水平方向位移云圖(X)(見圖4～圖7)。

通過觀察兩個方案的豎向位移云圖(Z)以及水平方向位移云圖(X)可知方案一的豎向位移最大值為10.86 mm，而方案二最大豎向位移為10.85 mm。由此可以看出兩種方案的豎向位移相差僅0.01 mm，不同樁支護下豎向位移距離相近。觀察兩個方案的水平方向最大位移方案一朝向邊坡臨空面方向的位移為0.855 mm，而方案二朝向邊坡臨空面方向的位移為0.782 mm。方案一背向邊坡臨空面方向的位移為0.264 mm。方案二背向邊坡臨空面方向的位移為0.181 mm。由圖可知支護樁的存在，阻止了邊坡的水平位移。達到了防止邊坡位移，使邊坡穩(wěn)定的目的。

2.5 兩個方案經(jīng)濟對比

兩種方案的經(jīng)濟投入分別是方案一使用大約5 668根松木樁，每根松木樁單價是200元左右，合計總投入113萬元左右。方案二使用大約895根塑鋼板樁，每根塑鋼板樁單價2 500元左右，合計投入230萬元左右。經(jīng)對比，方案一經(jīng)濟投入小于方案二。

3 邊坡安全系數(shù)計算

群英河邊坡高度小于5 m，屬于三級邊坡[8]。三級邊坡的一般工況安全系數(shù)為1.25。使用GeoStudio[9,10]軟件對清淤完成后工況的安全系數(shù)進行計算分析，結(jié)果見圖8,圖9。

對比以上兩個支護方案，使用有限元分析軟件計算出的安全系數(shù)分別是松木樁支護的安全系數(shù)為1.26，塑鋼板樁支護的安全系數(shù)為1.29，可以看出使用塑鋼板樁比使用松木樁的安全系數(shù)要高。但是兩者都大于邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.25，所以都是安全可行的。

4 結(jié)論

通過使用有限元分析軟件分析兩種支護方案，得出以下結(jié)論：

1)對比兩個方案的邊坡沉降位移和水平位移：方案一的豎向沉降位移10.86 mm，方案二的豎向沉降位移是10.85 mm，在這一方面兩者幾乎相同，支護類型對于豎向沉降位移影響不大。從水平位移來看，方案一的向左水平位移是2.6e-004 m，方案二向左的水平位移是1.8e-004 m。方案一的向右水平位移是8.5e-004 m，方案二向右的水平位移是7.8e-004 m，所以兩種支護方案在水平位移方面差別較大，但是都符合規(guī)范要求。

2)從經(jīng)濟上對比可知：方案一大約使用了5 668根松木樁，每根松木樁單價是208.68元左右，合計總投入118.279 8萬元左右。方案二需要使用895根塑鋼板樁，每根塑鋼板樁單價大約2 558.92元，合計投入大約229.023萬元。所以松木樁支護經(jīng)濟投入較少。

3)對比以上兩個方案的安全系數(shù)，方案一的安全系數(shù)1.26略大于規(guī)范要求的允許安全系數(shù)1.25。方案二的安全系數(shù)相對于方案一有了較大的提升，方案二安全系數(shù)是1.29。從安全系數(shù)上來看，方案一的安全系數(shù)接近規(guī)范值，預(yù)留下降空間不大。總體兩個方案的安全系數(shù)都符合規(guī)范要求允許的1.25。

從穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和安全系數(shù)等方面對比可知，選用方案一更加合適。