陳義軍，顧洋，劉戰(zhàn)鋒

（1. 中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2. 華北水利水電大學(xué) 巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究所，河南 鄭州 450046）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性研究是工程地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，人類工程性活動的發(fā)展使影響邊坡穩(wěn)定性問題日益增多。目前對工程施工邊坡體穩(wěn)定性影響研究方面，中國學(xué)者成果眾多。曹春山是以寶雞市扶風(fēng)縣黃土滑坡的成因機(jī)制研究，通過野外地質(zhì)調(diào)查，提出了飛鳳山滑坡的破壞模式為漸進(jìn)式破壞。馮君等用力學(xué)模型試驗(yàn)方法，并通過數(shù)值計(jì)算模擬開挖破壞過程，提出在實(shí)際工程中，為了避免開挖過程中邊坡出現(xiàn)順層滑動，宜首先在坡腳處設(shè)置錨桿，邊開挖邊支護(hù)。肖世國是研究坡體開挖松弛區(qū)范圍提供了數(shù)值分析方法，認(rèn)為松弛區(qū)范圍為沿水平方向或與坡頂?shù)孛婢€平行的參考線的應(yīng)力或位移變化曲線。王玉峰以觀音堂某黃土高邊坡為實(shí)例，研究不同支護(hù)模式下黃土高邊坡的開挖變形特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀，采用土工離心機(jī)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)對于黃土高邊坡的加固，樁釘復(fù)合支護(hù)要優(yōu)于全斷面土釘支護(hù)。侯曉坤采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究開發(fā)形成的黃土高邊坡的穩(wěn)定性及破壞機(jī)制，當(dāng)開挖坡比較大時，黃土高邊坡破壞為典型的推移式破壞模式。李杰為研究路塹邊坡開挖過程中巖體邊坡和變形穩(wěn)定性，采用地表變形及巖體內(nèi)部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析邊坡開挖過程中的變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)第二級臺階巖體的合理開挖是控制整個邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵。為研究人工開挖邊坡長期穩(wěn)定性問題，廖紅建進(jìn)行了一系列的室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，探討了黏性土在浸水后的強(qiáng)度降低程度，為人工邊坡的長期穩(wěn)定性計(jì)算和強(qiáng)度參數(shù)確定提供簡便、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方法。萬琪是研究降雨下高速公路高邊坡在開挖及運(yùn)營過程中的變形規(guī)律及穩(wěn)定性，利用大型土工離心機(jī)及自主研發(fā)降雨裝置，發(fā)現(xiàn)不同支護(hù)時序條件對邊坡穩(wěn)定性的影響與無實(shí)時支護(hù)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)要比實(shí)時支護(hù)至少降低50%。

河道清淤施工岸坡需對其施工過程中岸坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，文章在前人研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法，利用FLAC3D計(jì)算軟件，針對河道工程施工時需要新建護(hù)岸的岸坡，對其開挖、修建擋墻以及回填過程進(jìn)行模擬計(jì)算，探究對其穩(wěn)定性影響。

2 工程概況

該工程項(xiàng)目位于福建省莆田市涵江區(qū)，地貌上屬于海相沉積及海陸交互相沉積地貌單元，沿河道兩岸較為平坦開闊，河岸高程多在4.50～6.50 m，河床高程在3～4 m，河寬10～25 m，水深0.50～2.00 m，河底為淤泥，水流緩慢。起點(diǎn)處臨河而建密集排布的1～3F 磚混民居及臨時板房；中段兩岸以農(nóng)田及建筑工地為主，尾段高左岸為已建1～3F 磚混民居，右岸多為荒地，兩岸沿河已建砌石擋墻，頂寬約0.60 m，高出河面約1 m。

3 巖土層分布特征

①雜填土：松散狀態(tài)，均勻性較差，人工堆填而成，堆填時間約10 年，未完成自重固結(jié)。上部為30～50 cm 水泥地板，下部含碎石和個別塊石，碎石粒徑為2～5 cm，含量約占50%。全場分布。②粉質(zhì)黏土：可塑，粉黏粒為主，切面光澤且光滑，干強(qiáng)度及韌性中等。此層分布數(shù)量一般，局部被耕植土覆蓋。③淤泥：流塑，飽和，含少量有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)，具淡臭味，物質(zhì)組分較均勻，巖芯切面光澤反應(yīng)較光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)；為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的軟弱土層。④粉質(zhì)黏土：濕，可塑～硬塑，砂粒含量約占10%，物質(zhì)組分均勻性一般，巖芯切面光澤反應(yīng)較光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)，為中壓縮性土。⑤殘積砂質(zhì)黏性土：可塑～硬塑，成分主要由黏性土和石英砂粒組成，礫粒含量約占8%～10%，泥質(zhì)含量約50%～60%，可見殘余的原巖結(jié)構(gòu)，原巖為花崗巖；物質(zhì)組分較均勻，巖芯切面光澤反應(yīng)稍有光滑，干強(qiáng)度中等，無搖震反應(yīng)，韌性稍低，為中等壓縮性土層。

4 施工岸坡穩(wěn)定性分析

4.1 施工岸坡模型建立

針對不同的新建方式選擇典型斷面建立模型，此次選取4-4、22-22兩個典型斷面建立計(jì)算模型。采用FLAC3D程序建立的模型尺寸如下：岸坡Ⅰ水平方向x 長15.80 m，垂直方向z高5.00 m，開挖后的塊石厚度0.30 m，混凝土底板厚度0.50 m，寬度1.45 m，擋墻采用梯形，高度0.70 m，上表面寬0.50 m，下底寬0.85 m，迎坡面放坡1：0.50，背坡面垂直。岸坡Ⅱ水平方向x長14.00 m，垂直方向z高7.25 m，開挖后混凝土底板厚度0.50 m，寬度2.22 m，擋墻采用梯形，高度1.70 m，上表面寬0.50 m，下底寬1.54 m，迎坡面放坡1：0.40，背坡面放坡1：0.20。施工期河道內(nèi)均無水，岸坡內(nèi)有地下水位。斷面圖及生成初始模型如圖1～4 所示，模型的土體材料采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，擋墻和仿松木樁采用彈性本構(gòu)模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 斷面4-4圖

4.2 工況建立

對于新建護(hù)岸清淤模型，在開挖和擋墻的修建以及后期土方回填時對巖土體的擾動作用較大，則不考慮后期河道內(nèi)清淤對岸坡穩(wěn)定造成的影響，針對不同施工階段分為三種工況分析其穩(wěn)定性影響。工況一：岸坡開挖；工況二：擋墻修建；工況三：土方回填。

圖2 岸坡Ⅰ初始模型圖

圖3 斷面22-22圖

圖4 岸坡Ⅱ初始模型圖

5 結(jié)果分析

5.1 模型結(jié)果分析

5.1.1 位移分析

5.1.1.1 岸坡Ⅰ施工過程位移分析

開挖產(chǎn)生的卸荷回彈致使開挖面的土體向臨空面一側(cè)位移，工況一下，開挖后水平方向的岸坡土體向河道方向位移，河道內(nèi)的土體向岸坡方向位移，豎直方向開挖面均有向上的位移，岸坡坡腳處水平向位移最大如表2 所示，向右位移了約8.14 mm，向上的最大位移處在坡底水平段，位移了16.70 mm，如圖5所示。

表2 各工況下岸坡最大位移值表

圖5 開挖后豎向位移圖

在工況二擋墻修建完成時，擋墻兩邊的位移繼續(xù)增大，擋墻的修建起到了加載作用，致使兩側(cè)的土體向力增加的方向位移，岸坡坡腳水平向最大位移增加了約0.14 mm，同時壓應(yīng)力使擋墻下部土體向下位移，豎直方向最大位移減小了0.11 mm。

工況三下，如圖6所示，由于土方回填的繼續(xù)加載作用，岸坡處的土體水平向的位移達(dá)到了最大值，水平方向最大位移增加了0.14 mm，最大位移達(dá)到了8.46 mm，豎直方向位移減小了1.50 mm，位移值14.10 mm。

圖6 回填完成后水平向位移圖

5.1.1.2 岸坡Ⅱ施工過程位移分析

開挖產(chǎn)生的卸荷回彈致使開挖面的土體向臨空面一側(cè)位移，岸坡水平向最大位移發(fā)生在坡面上淤泥質(zhì)土層的最下部，向左位移了大約13.29 mm，向上的最大位移處在坡面上，向上位移了11.03 mm，如圖7所示。

圖7 開挖后豎向位移圖

在工況二下，隨著擋墻修建完成，水平與豎直方向位移變化較小，擋墻的加載作用使得岸坡坡面最大水平位移增加了0.16 mm，豎直方向最大位移減小了0.09 mm，如表3所示。

表3 各工況下岸坡最大位移值表

工況三中，土方回填完成時，對岸坡水平位移影響較小，岸坡最大水平位移增加了0.03 mm，最大位移達(dá)到了13.50 mm，由于回填土方量較大，坡底土體受到回填土擠壓，豎直方向最大位移減小了7.77 mm，位移值減小至2.34 mm，如圖8 所示。

圖8 回填完成后水平向位移圖

5.1.2 應(yīng)力分析

岸坡自然狀態(tài)下的最大主應(yīng)力圖如圖9與圖10所示，可以看出岸坡在開挖前的最大主應(yīng)力主要受重力的影響，隨著深度的增加，應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力沿水平方向呈條帶狀分布。

圖9 岸坡Ⅰ初始最大主應(yīng)力圖

圖10 岸坡Ⅱ開挖最大主應(yīng)力圖

岸坡開挖后的最大主應(yīng)力如圖11與圖12所示，岸坡開挖時，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖面由于開挖時的卸荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力重分布導(dǎo)致開挖面的最大主應(yīng)力減小，但在坡腳處為未產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，判斷是由于開挖岸坡高度較低，并且開挖坡度較小，由于此次開挖的岸坡由不同土層構(gòu)成，岸坡Ⅰ在開挖后坡腳處的應(yīng)力減小較多，坡腳最大主應(yīng)力減小約0.25 MPa，岸坡Ⅱ開挖后坡面處應(yīng)力釋放較大，最大處減小約0.30 MPa，由此可以看出開挖至淤泥質(zhì)土層時土體應(yīng)力釋放明顯。

圖11 岸坡Ⅰ初始最大主應(yīng)力圖

圖12 岸坡Ⅱ開挖最大主應(yīng)力圖

岸坡回填后的最大主應(yīng)力見圖13 與圖14，在重力的作用下，回填的土體對岸坡產(chǎn)生擠壓作用，岸坡Ⅰ開挖處的最大主應(yīng)力變化不明顯，岸坡Ⅱ開挖面的最大主應(yīng)力增加了約5×10-3MPa。在整個施工階段，兩個岸坡體最大主應(yīng)力均為負(fù)值，為壓應(yīng)力，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖13 岸坡Ⅰ開挖最大主應(yīng)力圖

圖14 岸坡Ⅱ回填后最大主應(yīng)力圖

6 結(jié)論

①新建護(hù)岸坡在施工時，岸坡的水平位移從開挖到修建擋墻再到土方回填的過程中持續(xù)增加，在回填完成后達(dá)到最大值，岸坡Ⅰ位移值8.46 mm，岸坡Ⅱ位移值13.50 mm，豎向位移在開始施工時卸荷回彈作用明顯，位移值達(dá)到最大，岸坡Ⅰ位移值達(dá)到16.70 mm，岸坡Ⅱ位移值達(dá)到11.03 mm，隨著擋墻和回填土的加載作用豎向位移逐漸減小。②不同于均質(zhì)邊坡，岸坡Ⅰ與岸坡Ⅱ開挖至不同的土層，岸坡Ⅰ開挖至淤泥質(zhì)土層，坡腳處的位移最大。岸坡Ⅱ開挖超過淤泥質(zhì)土層，位移最大的地方處在坡面上淤泥質(zhì)土層底部。③施工時的最大主應(yīng)力改變較明顯的階段在岸坡開挖完成后，岸坡Ⅰ坡腳處的最大主應(yīng)力變化最大與開挖前相比減小了0.25 MPa，岸坡Ⅱ坡面處淤泥質(zhì)土層下部最大主應(yīng)力變化最大與開挖前相比減小了0.30 MPa。由于坡高較小，坡度較緩，開挖時坡腳處均未出現(xiàn)應(yīng)力集中，且整個施工過程中未產(chǎn)生拉應(yīng)力。