楊 霞

(上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，江西 上饒 334000)

庫(kù)區(qū)水位變化對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性有著顯著影響。受水的軟化作用，水下坡體的物理力學(xué)性質(zhì)將顯著降低，加之受降雨、水位驟變等水力條件和地震等外部因素影響時(shí)，坡體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)等分布發(fā)生改變，進(jìn)而降低邊坡的穩(wěn)定性?？够瑯妒菐?kù)岸邊坡治理的主要形式，而抗滑樁治理后的邊坡同樣會(huì)受庫(kù)區(qū)水位變化的影響，從而影響抗滑樁對(duì)邊坡的加固效果。因此，研究水位變化對(duì)庫(kù)岸滑坡治理中抗滑樁的內(nèi)力變形特征影響，對(duì)保障庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定具有重要意義。本文將根據(jù)重慶某江岸消落區(qū)的邊坡抗滑樁治理工程，選取典型地質(zhì)斷面作為研究對(duì)象，利用GTS NX數(shù)值計(jì)算軟件分析不同水位和不同安全儲(chǔ)備系數(shù)工況下邊坡的位移應(yīng)變分布和抗滑樁的內(nèi)力變形特征，對(duì)比分析不同工況下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。研究成果可為類(lèi)似條件庫(kù)岸邊坡的治理提供參考。

1 工程概況

工程為重慶某縣城江岸消落區(qū)環(huán)境整治工程。由于庫(kù)岸多為土質(zhì)和土巖混合坡，其抗沖蝕能力差，受江水漲落沖刷作用，岸坡易形成坍塌破壞，且在庫(kù)水位循環(huán)作用下，土體受軟化導(dǎo)致岸坡整體穩(wěn)定性下降，進(jìn)而引起岸坡整體滑移。S2剖面是該工程庫(kù)岸的典型地質(zhì)剖面，采用“清方+埋入式抗滑樁”治理方案，示意圖如圖1所示。具體治理方案為：高程175、165、160m處分別設(shè)14.5、3、3.5m的平臺(tái)，反壓體采用鋼絲石籠網(wǎng)護(hù)面；185～175m護(hù)坡采用1∶2坡比的植物護(hù)坡，175～160m護(hù)坡采用1∶2.5坡比的植物護(hù)坡+格賓網(wǎng)加固。

圖1 S2斷面工程地質(zhì)剖面圖

2 分析方案和數(shù)值計(jì)算模型

有限元法是一種可靠、合理方便的計(jì)算方法，能夠充分考慮樁-土的協(xié)同作用，可直接算出樁的內(nèi)力狀態(tài)。因此，本文采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算抗滑樁的內(nèi)力，僅對(duì)樁后土體進(jìn)行折減。

2.1 分析方案

針對(duì)“清方+埋入式抗滑樁”治理方案，為分析不同水位工況下和不同安全儲(chǔ)備系數(shù)條件下抗滑樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特征，共設(shè)計(jì)了7種計(jì)算方案，具體見(jiàn)表1。其中，設(shè)計(jì)了4種水位工況，即工況1：自重+地表荷載+壩前175m水位；工況2：自重+地表荷載+壩前145m水位；工況3：自重+地表荷載+水位從175m降至145m；工況4：自重+地表荷載+水位從162m降至145m。計(jì)算方案1-4的主要目的是計(jì)算不同水位工況下的抗滑樁內(nèi)力分布情況，計(jì)算方案1、5-7的主要目的是為了分析不同安全儲(chǔ)備系數(shù)對(duì)抗滑樁內(nèi)力的影響。

表1 S2斷面有限元數(shù)值計(jì)算方案

2.2 有限元模型的建立

采用MIDAS-GTS NX軟件建立S2斷面的有限元計(jì)算模型，網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分，在模型建立時(shí)對(duì)一些弧線進(jìn)行多段線進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。有限元模型采用三維模型，抗滑樁采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖2所示。抗滑樁直徑取3.5m，樁間距取7m。網(wǎng)格劃分時(shí)將基巖邊界尺寸控制為4～5m，而關(guān)鍵區(qū)域(覆蓋土層)的網(wǎng)格尺寸控制在1～2m。有限元計(jì)算中，材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取，具體見(jiàn)表2。根據(jù)不同工況的水位情況賦予巖土體材料不同的參數(shù)，水位線上采用天然容重、天然黏聚力、天然內(nèi)摩擦角，水位線下采用浮容重，飽和黏聚力、飽和內(nèi)摩擦角。

表2 巖土體和抗滑樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

圖2 S2斷面的有限元數(shù)值計(jì)算模型

邊界條件為：模型底部約束x、y、z方向的位移，模型前后兩側(cè)、左右兩側(cè)分別約束z、x方向位移，重力方向?yàn)閥。

計(jì)算步驟為：①地應(yīng)力平衡；②樁基施工；③根據(jù)規(guī)范要求的安全儲(chǔ)備系數(shù)對(duì)巖土體參數(shù)樁后土體進(jìn)行折減；④提交計(jì)算，提取樁的內(nèi)力結(jié)果。

3 岸坡穩(wěn)定性與抗滑樁受力變形模擬

3.1 水位工況對(duì)抗滑樁受力及邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1.1不同水位工況條件下抗滑樁支護(hù)后邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)

為分析不同水位下抗滑樁支護(hù)后邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)，提取了不同工況條件下邊坡的水平位移云圖和最大剪應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 不同水位工況下邊坡的水平位移云圖和最大剪應(yīng)變?cè)茍D

在175m水位時(shí)，潛在破壞面出現(xiàn)于邊坡中部，其水平位移較其它水位工況更大，最大水平位移達(dá)到了0.29m，且最大位移區(qū)分布范圍廣(占比達(dá)12.8%)，此時(shí)邊坡最大剪應(yīng)變帶末端剛好位于抗滑樁頂部，表明該工況下邊坡將呈現(xiàn)滑體越頂破壞，主要原因是庫(kù)區(qū)水滲入邊坡巖土體內(nèi)部，對(duì)巖土體產(chǎn)生浮托作用[16]，降低了巖土體的抗滑能力，使邊坡表面的潛在滑體產(chǎn)生水平位移，而175m高水位時(shí)庫(kù)水對(duì)坡體抗滑能力的影響更大，產(chǎn)生了更大的水平位移；此外，由于邊坡中部高程為175m，則175m水位工況時(shí)庫(kù)水將對(duì)該區(qū)域坡體物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，降低其抗滑能力，致使?jié)撛谄茐拿娉霈F(xiàn)于邊坡中部。

對(duì)145m水位、175m降至145m水位和162m降至145m水位工況，其水平位移帶和最大剪應(yīng)變帶均出現(xiàn)在邊坡上部，最大水平位移均小于0.062m，分布范圍不到邊坡面積的2.5%，說(shuō)明此3種水位工況下邊坡的潛在破壞面會(huì)出現(xiàn)于邊坡上部，但后2種變水位工況下，邊坡變形量較145m恒水位工況更大。主要原因?yàn)榈退还r和高水位降至低水位工況時(shí)，與175m高水位相比，庫(kù)水對(duì)坡體產(chǎn)生的浮托作用更小，但高水位降至低水位時(shí)坡體內(nèi)部地下水位降低會(huì)滯后于庫(kù)水位變化，該變水位工況下坡體抗滑能力較145m恒水位工況降低更顯著。此外，由于該3種水位與邊坡相對(duì)應(yīng)的高程為坡體下部，對(duì)抗滑樁上部坡體抗滑能力影響較小，加之坡體上部坡度更大，故此3種水位工況時(shí)潛在破壞面會(huì)出現(xiàn)在邊坡上部。

3.1.2不同水位工況條件下抗滑樁內(nèi)力及變形分布

提取出不同水位工況下邊坡抗滑樁的軸力、剪力、彎矩以及水平位移值，繪制出抗滑樁內(nèi)力和變形隨樁長(zhǎng)的分布曲線，如圖4所示。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種水位工況下，抗滑樁的軸力分布基本一致，差別不大。剪力隨樁長(zhǎng)的分布趨勢(shì)也基本一致，在樁長(zhǎng)8m處驟然達(dá)到最大，175m水位和145m水位工況下抗滑樁剪力分別最大和最小，分別為7478kN和4136kN，而2種變水位工況最大剪力差別不大，位于高低恒水位工況之間(如圖4(a)所示)。4種水位工況下抗滑樁彎矩分布形式基本一致，最大彎矩從大到小的工況為：175m水位、162m降145m水位、175m降至145m水位、145m水位，最大彎矩為22300kN·m(如圖4(b)所示)。對(duì)水平位移而言，在樁長(zhǎng)小于8m時(shí)，4種水位工況下抗滑樁水平位移幾乎均為零，主要原因是小于8m樁長(zhǎng)部分位于坡體潛在滑面以下，坡體穩(wěn)定，其變形較小，則傳遞給抗滑樁的推力小；隨后水平位移值隨樁長(zhǎng)逐漸增加，其增加程度從大到小的工況為：175m水位、175m降至145m水位、162m降145m水位、145m水位，最大水平位移不超過(guò)6mm。

圖4 不同水位工況下邊坡抗滑樁的剪力、彎矩和水平位移分布

可以看出，抗滑樁的受力及變形規(guī)律主要受邊坡變形的影響，當(dāng)坡體變形位移大時(shí)，坡體施加在抗滑樁上的推力則更大，從而導(dǎo)致抗滑樁更大的剪力、彎矩和發(fā)生更大的位移。

3.2 安全儲(chǔ)備系數(shù)對(duì)抗滑樁受力及邊坡穩(wěn)定性的影響

3.2.1不同安全儲(chǔ)備系數(shù)下抗滑樁支護(hù)后邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)

本節(jié)針對(duì)同一種工況條件(即175m高水位工況)，對(duì)抗滑樁上部土體強(qiáng)度進(jìn)行折減，安全系數(shù)分別取1.25、1.20、1.15和1.10，模擬計(jì)算獲取邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)。從不同安全儲(chǔ)備系數(shù)下邊坡的水平位移云圖和最大剪應(yīng)變?cè)茍D可以看出(如圖5所示)，當(dāng)安全系數(shù)為1.25時(shí)，邊坡潛在破壞面出現(xiàn)于邊坡中部，剪應(yīng)變末端出現(xiàn)于樁頂部。降低安全系數(shù)時(shí)，如安全系數(shù)為1.20時(shí)，邊坡水平位移主要發(fā)生在中部，但邊坡上部也形成了變形稍低的水平位移帶，邊坡最大剪應(yīng)變也呈現(xiàn)出類(lèi)似分布規(guī)律，表明此工況下邊坡潛在破壞面有2條，即邊坡中部和邊坡上部，且均沿基巖面發(fā)生破壞。安全系數(shù)為1.15、1.10時(shí)，其情況與安全系數(shù)為1.20時(shí)類(lèi)似，但最大水平位移隨安全系數(shù)的降低呈指數(shù)型降低(如圖6所示)，4種工況下依次為0.29、0.063、0.035、0.017m。主要原因是計(jì)算時(shí)所采用的安全系數(shù)越大，對(duì)坡體抗剪強(qiáng)度的折減程度就越大，在175m高水位工況時(shí)，邊坡中部及以下坡體均在庫(kù)水位以下，由于庫(kù)水對(duì)坡體的浮托作用，折減程度越大時(shí)土體受浮托力影響更顯著，致使邊坡中部較大范圍坡體發(fā)生了較大程度的變形，而低折減程度的坡體受庫(kù)水浮托作用影響更小，抗滑樁上部坡體的變形范圍和變形程度均更小，并逐漸傳遞給坡度更大的上部坡體。

圖5 不同安全儲(chǔ)備系數(shù)下邊坡的水平位移云圖和最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖6 邊坡最大水平位移與安全儲(chǔ)備系數(shù)的關(guān)系曲線

3.2.2不同安全儲(chǔ)備系數(shù)下抗滑樁內(nèi)力及變形分布

不同安全儲(chǔ)備系數(shù)情況下邊坡抗滑樁剪力、彎矩及水平位移隨樁長(zhǎng)的變化曲線如圖7所示。與不同水位工況下抗滑樁受力變形機(jī)制相同，抗滑樁所受內(nèi)力及其變形均由其上部坡體的推力導(dǎo)致，故坡體發(fā)生更大程度的變形時(shí)，施加在抗滑樁上的力也就越大。具體規(guī)律為：隨著邊坡安全系數(shù)的增加，抗滑樁最大剪力逐漸增加，最大剪力從1143kN增加至7478kN(圖7(a))；抗滑樁最大彎矩值也隨安全系數(shù)的提高而增加，最大彎矩值從3487kN·m增加至22300kN·m(圖7(b))。對(duì)抗滑樁的變形而言，隨安全系數(shù)的增加，抗滑樁最大水平位移逐漸增加，最大變形為5.88mm，小變形為0.88mm。此外，抗滑樁最大剪力和最大彎矩出現(xiàn)在同一樁長(zhǎng)處，在8m左右，而抗滑樁水平位移在樁長(zhǎng)小于8m時(shí)幾乎為零，隨后才逐漸增長(zhǎng)，在樁頂達(dá)到最大位移。

圖7 不同安全儲(chǔ)備系數(shù)下抗滑樁的剪力、彎矩和水平位移分布

4 結(jié)論

本文基于GTS NX有限元計(jì)算方法，模擬了不同水位和安全儲(chǔ)備系數(shù)下邊坡的位移應(yīng)變分布和抗滑樁內(nèi)力變形特征，得出以下結(jié)論：

(1)坡體抗滑力在高水位時(shí)降低顯著，邊坡變形區(qū)域廣、變形程度大，潛在破壞面出現(xiàn)在邊坡中部；低水位和高水位降至低水位時(shí)，坡體變形轉(zhuǎn)移至邊坡上部?？够瑯秲?nèi)力變形程度從大到小為：高水位、高水位降至低水平、低水位，抗滑樁最大剪力和彎矩出現(xiàn)在滑面處。

(3)邊坡最大水平位移隨安全系數(shù)的降低呈指數(shù)型降低，抗滑樁剪力、彎矩和水平位移均隨安全系數(shù)的增加而逐漸增大。

論文成果對(duì)類(lèi)似工程岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和抗滑樁設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義，但未考慮地震、降雨等對(duì)邊坡的影響，后續(xù)將綜合考慮地震等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。