劉學(xué)智

（廣州珠科院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510000）

當(dāng)前，由于新建工程距離堤防岸坡較近，新荷載是造成國內(nèi)許多堤防岸坡失穩(wěn)破壞最主要的源頭之一，對周邊人民財(cái)產(chǎn)與生命安全存在嚴(yán)重威脅，因此，對新建工程臨近堤防岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究有著重要意義［1-2］。近年來，很多學(xué)者對工程荷載作用下堤防岸坡穩(wěn)定性分析技術(shù)開展了大量研究工作，并取得了不少研究成果［3-4］。其中，數(shù)值模擬中建立三維模型分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各類工程在不同工況作用下的穩(wěn)定性研究等方面［5］。

2018年10月24日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平到荔灣區(qū)西關(guān)歷史文化街區(qū)永慶坊考察調(diào)研，街察看舊城改造、歷史文化建筑修繕保護(hù)情況，并走進(jìn)粵劇藝術(shù)博物館了解粵劇藝術(shù)傳承和保護(hù)情況，對廣州市荔灣區(qū)歷史文化保護(hù)工作給予了高度肯定和重視。正值全省深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記視察廣東重要講話精神之際，中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司恰逢其時(shí)，正在全力推動(dòng)廣州鐵路博物館（詹天佑紀(jì)念廣場）建設(shè)，旨在更好地保護(hù)和利用歷史建筑、恢復(fù)歷史風(fēng)貌，展示廣州鐵路百年風(fēng)雨歷程，串起鐵路發(fā)展與地區(qū)經(jīng)濟(jì)、民生文化之間“休戚與共、相輔相成”的歷史脈絡(luò)，為現(xiàn)代人留存珍貴的歷史文化記憶。鐵路博物館景觀提升工程的開展將會(huì)對珠江堤岸的安全產(chǎn)生影響，因此需要采取一定技術(shù)手段對珠江堤岸的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

本項(xiàng)目鐵路博物館景觀提升工程位于廣州市老城區(qū)西南面的西關(guān)黃沙一帶，臨近珠江，該項(xiàng)目的實(shí)施將在臨珠江鋪設(shè)鐵路軌道并放置一定數(shù)量的機(jī)車頭，鐵路軌道及部分車頭位于珠江堤防38m管理范圍，其中距離堤防最近的機(jī)車頭僅有18m，因機(jī)車頭自重較大，可能會(huì)通過基礎(chǔ)傳遞至地下土層及堤岸，改變地下土層及岸墻的應(yīng)力狀態(tài)，從而影響整體堤岸的穩(wěn)定。因此，需對珠江堤岸整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為珠江堤防管理部門對堤防結(jié)構(gòu)的安全管理及鐵路博物館景觀提升工程是否能順利實(shí)施提供參考依據(jù)。

2 堤岸整體穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型

機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡整體影響是此次景觀提升工程關(guān)注的重點(diǎn)，根據(jù)《黃沙南站園林景觀工程防洪評價(jià)報(bào)告》中已有的堤防開挖圖及堤防結(jié)構(gòu)尺寸手繪圖結(jié)合實(shí)測的堤防地形圖，結(jié)合放置機(jī)車的位置和地質(zhì)勘察結(jié)果，選擇鐵路博物館堤防段局部岸坡范圍（機(jī)車荷載最不利斷面處），作為所在建設(shè)場地現(xiàn)狀堤防穩(wěn)定計(jì)算分析的計(jì)算斷面，采用有限元軟件ABAQUS對珠江堤岸整體進(jìn)行三維有限元模擬，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后單元總數(shù)27376個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)34640個(gè)，如圖1。塊體不同顏色代表的物質(zhì)組成含義如圖2。

圖1 岸堤整體有限元網(wǎng)格劃分

圖2 岸堤整體有限元模型

2.2 計(jì)算工況

為計(jì)算分析堤防岸坡整體在施加機(jī)車荷載作用下的位移應(yīng)力變化狀況，結(jié)合實(shí)際工程的運(yùn)行情況設(shè)立兩個(gè)對照組A和B，對照組A是堤防岸坡的最高運(yùn)行水位與最高運(yùn)行水位加機(jī)車荷載再對比；對照組B是堤防岸坡的最低運(yùn)行水位與最低運(yùn)行水位加機(jī)車荷載再對比，如表1。

表1 對照組計(jì)算工況

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 堤岸整體位移

圖3～圖6給出了堤防岸坡整體在各個(gè)工況時(shí)的整體位移分布云圖。從圖3～圖6可以看出，同原狀態(tài)堤防岸坡相比，工況2施加機(jī)車荷載后，堤防整體最大位移位于鋪設(shè)的鐵路軌道基礎(chǔ)處，數(shù)值大小為25mm，但該工況下堤防整體x向位移與原堤防相比基本保持不變，位移分布位置也幾乎沒有改變，工況4施加機(jī)車荷載后，堤防整體最大位移位于鋪設(shè)的鐵路軌道的基礎(chǔ)處，數(shù)值大小為24.6mm，機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡局部范圍的地基（軌道鋪設(shè)）會(huì)造成一定影響，但該影響范圍很小。

圖3 工況1堤防整體最大位移分布云圖

圖4 工況2堤防整體最大位移分布云圖

圖5 工況3堤防整體最大位移分布云圖

圖6 工況4堤防整體最大位移分布云圖

2.3.2 堤岸整體應(yīng)力

圖7～圖14給出了堤防岸坡整體在各個(gè)工況時(shí)的最大主拉和最大壓應(yīng)力分布云圖。從圖7～圖14可以看出，與原狀堤防岸坡相比，施加機(jī)車荷載后，堤防整體最大主拉/壓應(yīng)力的數(shù)值大小幾乎沒有變化，工況1最大主拉應(yīng)力為0.58MPa，位于擋墻的面板與底板交接的底面，最大主壓應(yīng)力為1.22MPa，位于擋墻結(jié)構(gòu)的扶壁處，工況2與工況1相比，施加機(jī)車荷載后，最大主拉應(yīng)力為0.56MPa，位于擋墻的面板與底板交接的底面，最大主壓應(yīng)力為1.20MPa，對比工況3與工況4同樣也是數(shù)值大小幾乎不變，最大主拉/壓應(yīng)力發(fā)生部位一致。通過對堤防岸坡整體應(yīng)力的分析計(jì)算可知，機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡整體而言最大主拉/壓應(yīng)力幾乎沒有影響。

圖7 工況1堤防整體最大主拉應(yīng)力云圖

圖8 工況1堤防整體最大主壓應(yīng)力云圖

圖9 工況2堤防整體最大主拉應(yīng)力云圖

圖10 工況2堤防整體最大主壓應(yīng)力云圖

圖11 工況3堤防整體最大主拉應(yīng)力云圖

圖12 工況3堤防整體最大主壓應(yīng)力云圖

圖13 工況4堤防整體最大主拉應(yīng)力云圖

圖14 工況4堤防整體最大主壓應(yīng)力云圖

2.3.3 堤岸整體塑性變化

圖15～圖18給出了堤防岸坡整體在各個(gè)工況下的塑性應(yīng)變應(yīng)力分布云圖。對比工況1與工況2，工況3與工況4可知，機(jī)車荷載的施加只對軌道基礎(chǔ)以下的局部地基土體造成一定影響，與原狀地基相比，堤防岸坡地基的塑性區(qū)域臨水側(cè)基本保持不變，而隨著機(jī)車荷載的施加，機(jī)車軌道地基下方的地基土體會(huì)出現(xiàn)一定的塑性區(qū)域，但該區(qū)域并沒有增大原狀堤防岸坡地基的塑性區(qū)域，只是保持在機(jī)車軌道地基下部的局部區(qū)域。

圖15 工況1堤防整體塑性應(yīng)變云圖

圖16 工況2堤防整體塑性應(yīng)變云圖

圖17 工況3堤防整體塑性應(yīng)變云圖

圖18 工況4堤防整體塑性應(yīng)變云圖

3 三維有限元模型分析

機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡整體影響是此次景觀提升工程關(guān)注的重點(diǎn)，通過有限元ABAQUS軟件建立鐵路博物館堤防段局部岸坡范圍 （最不利斷面處）三維有限元模型，對其整體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，如圖7～圖18。

4 結(jié)語

（1）最高運(yùn)行水位機(jī)車荷載和最低運(yùn)行水位機(jī)車荷載施加后堤防岸坡的最大位移均位于鋪設(shè)的鐵路軌道基礎(chǔ)處，分別可達(dá)25，24.6mm，機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡局部范圍的地基（軌道鋪設(shè)）會(huì)造成一定影響，但該影響范圍很小。

（2）不同工況下堤防整體應(yīng)力數(shù)值大小變化較小，機(jī)車荷載的施加對堤防岸坡整體而言最大主拉/壓應(yīng)力幾乎沒有影響。

（3）機(jī)車荷載的施加，機(jī)車軌道地基下方的地基土體會(huì)出現(xiàn)一定的塑性區(qū)域，但該區(qū)域并沒有增大原狀堤防岸坡地基的塑性區(qū)域，只是保持在機(jī)車軌道地基下部的局部區(qū)域。