王 琦

（遼陽市防汛抗旱河務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111000）

1 概述

在天然河流中經(jīng)常發(fā)生沖刷和淤積現(xiàn)象，容易發(fā)生水害，妨礙水利發(fā)展。為適應(yīng)除患興利要求，必須采取適當(dāng)措施對河道進(jìn)行整治，包括治導(dǎo)、疏浚和護(hù)岸等工程[1]。然而，一河岸工程在施工過程中由于未開展有效的穩(wěn)定性評價，尤其是河道土方開挖工程，造成堤岸存在或出現(xiàn)明顯的破壞變形趨勢，為河堤工程的后期安全運(yùn)行埋下隱患，同時也造成一定經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此分析河道開挖工程中岸坡的穩(wěn)定性是河道洪水期與枯水期安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題[3]。

目前，國內(nèi)外通常采用數(shù)值模擬的方法來分析河道工程在施工過程中的變形破壞，其常用的數(shù)值理論包括有限元法、有限差分法、離散元法[4-10]等。文中所采用的ABAQUS軟件有著成熟的理論基礎(chǔ)，當(dāng)中包含多種類型的材料模型庫，可以模擬土壤與巖石等地質(zhì)材料的應(yīng)力應(yīng)變以及位移變形分析，同時還能對材料損傷破壞進(jìn)行二次開發(fā)模擬，因此被廣泛用于土方開挖工程[11]。

以某河道土方開挖工程為例，采用ABAQUS建立了2維河道開挖模型，在有限元方法基礎(chǔ)上采用強(qiáng)度折減法，采用M-C模型分析了河道卸荷過程坡體的塑性應(yīng)變、位移以及安全系數(shù)，并根據(jù)數(shù)值結(jié)果提出了相關(guān)加固措施。研究結(jié)果可為相關(guān)工程分析提供參考。

2 模型建立與計算參數(shù)

本次河道土方開挖長度5.3 km，地貌為河谷平原地區(qū)，現(xiàn)根據(jù)工程設(shè)計，在開挖時按兩次不同坡比進(jìn)行放坡，第一臺階坡比按照1∶1.5的比例進(jìn)行放坡，留平臺6.7 m寬，第二次開挖則按照1∶2的坡比進(jìn)行放坡，開挖后左右兩岸坡底距離為20 m。此次土方開挖深度15.24 m，在第一次放坡后，分別按照單次1.28 m的深度逐步開挖，一共開挖8步。經(jīng)現(xiàn)場勘查，整個地基材料可分為4層，從上往下依次為灰黏土、黏土1、黏土2、粉質(zhì)黏土。此外，計算模型簡化為平面應(yīng)變模型，采用M-C屈服理論，土的最大主應(yīng)力取1 kPa，損傷位移取0.02 mm。圖1為本次概化模型尺寸，表1為本次計算力學(xué)參數(shù)。

表1 模型計算力學(xué)參數(shù)

圖1 河道開挖橫河斷面

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 卸荷過程坡體變形分析

圖2為不同開挖步數(shù)下，模型的塑性應(yīng)變云圖。如圖2所示，在第一次卸荷后，河道底部的塑性應(yīng)變最大且范圍最廣，這是由于河道底端土體的自重應(yīng)力最大，而應(yīng)力歷史對土體力學(xué)性質(zhì)有著至關(guān)重要的作用，固結(jié)壓力最大，應(yīng)力路徑的影響程度就越大，因此，埋深越深，卸荷后河道底部的變形就越明顯。此外還可看到，在第一次卸荷后，淤泥質(zhì)土和亞黏土兩端的接觸面也產(chǎn)生了一定范圍的塑性應(yīng)變，但此時第一次放坡形成的堤岸并未發(fā)生明顯的塑性變形。第一次放坡結(jié)束后，繼續(xù)按照第二次放坡的工程設(shè)計進(jìn)行開挖，即圖2中的step2，此時與第一次放坡相比，卸荷后只存在河道粉黏土地基兩端的塑性應(yīng)變有小范圍的擴(kuò)大。而當(dāng)開挖到step3時，第一次放坡形成的邊坡坡角附近開始出現(xiàn)塑性變形區(qū)域，而土體其余部分維持著與之前相似的變形范圍，一直持續(xù)到step6。而當(dāng)工程開挖到step7時，第二次開挖所形成的邊坡坡角開始出現(xiàn)塑性破壞，且破壞范圍隨著開挖的深度而逐漸擴(kuò)大。當(dāng)開挖到設(shè)計高度后，其坡角的塑變破壞范圍約為臨空面長度的1/3。從整個開挖過程來看，卸荷對岸坡的影響存在臨界值。為防治邊坡的滑動變形，當(dāng)卸荷深度為7.6 m時，應(yīng)當(dāng)對第一次放坡形成的邊坡進(jìn)行抗滑樁或土釘加固，而當(dāng)卸荷深度為11.4 m時候，應(yīng)當(dāng)對第二次放坡所形成的邊坡采取加固措施。

圖2 不同開挖步數(shù)下模型的塑性應(yīng)變云圖

3.2 卸荷過程中坡體位移分析

為分析河道在卸荷過程中，河道水平位移的變化情況，將不同開挖步數(shù)下的河道位移云圖進(jìn)行輸出，如圖3所示。在第一次放坡結(jié)束后，在河道的亞黏土層產(chǎn)生了較大的向右的水平位移，而此時堤頂部分范圍產(chǎn)生了負(fù)位移，說明岸坡有向右滑動趨勢。當(dāng)?shù)诙畏牌拢^續(xù)開挖至位移變形較大處時（step5），此時第二次開挖所形成的邊坡坡角具有較大的水平位移，但隨著開挖深度的逐漸增加，河道左岸正水平位移的數(shù)值較大的范圍逐漸減少。

圖3 不同開挖步數(shù)下的河道位移云圖

從圖3可明顯看到，開挖結(jié)束后，河道迎水面的水平位移最大，為進(jìn)一步分析定量分析迎水面的水平位移變化趨勢，考慮到左右岸的對稱性，將左岸迎水面坡頂至坡角的節(jié)點(diǎn)位移輸出，如圖4所示，坡頂產(chǎn)生了負(fù)的水平位移，有向左滑動趨勢，約為4.5 mm，但隨著與坡頂點(diǎn)相對距離的增大，坡面開始逐漸向右移動，當(dāng)相對距離為8.4 m時，水平位移達(dá)到最大，達(dá)到了14.7 mm，之后又逐漸減小。因此從迎水面的水平位移變化趨勢可知，在距離二級邊坡頂點(diǎn)的8.4 m處，應(yīng)為岸坡潛在滑動面剪出口，因此，在開挖到這一步之前，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)闹踅Y(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，防治滑動。

圖4 迎水面水平位移變化趨勢

為同時分析整個開挖時呈內(nèi)一級岸坡與二級岸坡的位移變化情況，將各自的頂點(diǎn)作為特征節(jié)點(diǎn)，將其水平位移進(jìn)行輸出，如圖5所示。圖5中，監(jiān)測點(diǎn)1為一級邊坡頂點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)2為二級邊坡頂點(diǎn)。隨著開挖的進(jìn)行，兩級邊坡的頂點(diǎn)都產(chǎn)生了向左的水平位移，其中一級邊坡水平位移當(dāng)開挖到第2步時，出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時變化速率達(dá)到最大，之后隨著開挖的進(jìn)行變化趨勢逐漸放緩，說明開挖第2步之后，二級邊坡的開挖對一級邊坡的影響較小。而監(jiān)測點(diǎn)2則在開挖到第6步時達(dá)到最大，其實這與圖4中第8步坡角水平位移達(dá)到最大值的結(jié)論并不沖突，說明只監(jiān)測坡頂位移的變化，雖有一定參考價值，但由于復(fù)合土層的物理參數(shù)各異，其結(jié)果并不能完全確定邊坡的破壞趨勢，還應(yīng)該綜合邊坡內(nèi)部其他點(diǎn)的變化情況來加以判斷。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)位移與開挖步數(shù)關(guān)系

3.3 卸荷過程坡體安全系數(shù)分析

為分析不同開挖步數(shù)結(jié)束后岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)，本次計算采用的是軟件重啟動技術(shù)，先將開挖后岸坡變形計算結(jié)果保存之后，在model-editatrributes選擇重啟動所需要的源文件。完成上述步驟之后，再制定讀入數(shù)據(jù)的時間，并選擇結(jié)束時間，此時就可對不同開挖步數(shù)結(jié)束后所形成的岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析。圖6給出了開挖步數(shù)與岸坡安全系數(shù)關(guān)系。如圖6所示，隨著開挖深度的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，其中第一次放坡結(jié)束后，邊坡安全系數(shù)為1.3，而第二次放坡結(jié)束后，穩(wěn)定性系數(shù)降低為0.61。圖7給出了本次河道施工結(jié)束后邊坡的潛在滑動面（由于對稱只畫出河道左岸）。圖7中貫通面通過了一級與二級岸坡坡體，其潛在剪出口距離最終設(shè)計高程1.28 m左右。

圖6 開挖步數(shù)與岸坡安全系數(shù)關(guān)系

圖7 開挖結(jié)束后邊坡滑動面

4 結(jié)論

文中采用ABAQUS建立了2維河道開挖模型，在有限元方法基礎(chǔ)上采用強(qiáng)度折減法，采用M-C模型分析了河道卸荷過程坡體的塑性應(yīng)變、位移以及安全系數(shù)，主要得到了以下結(jié)果：

（1）應(yīng)力歷史對土體力學(xué)性質(zhì)有著至關(guān)重要的作用，在第一次卸荷后，河道底部的塑性應(yīng)變最大且范圍最廣，固結(jié)壓力最大，應(yīng)力路徑的影響程度就越大。

（2）在第一次放坡結(jié)束后，在河道的亞黏土層產(chǎn)生了較大的向右的水平位移。第二次開挖所形成的邊坡坡角具有較大的水平位移，但隨著開挖深度的逐漸增加，河道左岸正水平位移的數(shù)值較大的范圍逐漸減少。

（3）隨著開挖深度的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，其中第一次放坡結(jié)束后，邊坡安全系數(shù)為1.3，而第二次放坡結(jié)束后，穩(wěn)定性系數(shù)降低為0.61。