庫岸滑坡段護岸結構穩定性和破壞模式分析

黎 丹

目前長江上游很多地區多屬侵蝕丘陵河谷地貌,這些地方基巖巖面通常很深,樁基承臺結構是目前這類地區較理想的結構,本文針對這些結構的受力特性和庫岸的實際情況,以滲流—應力場耦合理論為依據,就滑坡段高大樁基承臺護岸結構的安全性展開討論,研究其穩定性和破壞模式。

1 計算斷面、工況與參數

筆者主持設計的重慶市涪陵區長江、烏江匯合口段東岸堤防工程堤型為深樁基礎+扶壁式擋墻結構。扶壁式擋墻迎水面坡度為 1∶0.05,擋墻頂高程170.00 m(黃海高程,以下同);在高程170.00 m～174.00 m采用斜坡護岸,坡面采用混凝土塊護坡;在高程174.00 m設置5 m寬平臺,平臺至堤頂回填高程之間采用植草斜坡護岸,坡度為1∶2.0。

擋墻基礎考慮到處于滑坡地段,加之覆蓋層深,經比較后采用群樁承臺,樁徑1.8 m,樁體深入弱風化基巖上部。

工況1:設計枯水位,擋墻外無水,擋墻內有1 m水位。荷載包括:擋土墻自重及填土重,在破裂填筑體上的各種恒載及汽車、人群等臨時活荷載,土壓力;靜水壓力,揚壓力。

工況2:不利中水位。荷載包括:擋土墻自重及填土重,在破裂填筑體上的各種恒載及汽車、人群等臨時活荷載,土壓力;靜水壓力,揚壓力,浪壓力。

工況3:水位驟降3 m(擋墻墻前水位比墻后水位低3 m,搜索其最不利位置)。荷載包括:擋土墻自重及填土重,在破裂填筑體上的各種恒載及汽車、人群等臨時活荷載,土壓力;靜水壓力,揚壓力,浪壓力。

工況4:滑坡推力。

根據相關規定進行計算,本工程設計考慮兩種荷載效應組合:

a.基本組合:工況 1、工況2、工況4;

b.特殊組合:工況3。

墻身計算參數:扶壁式擋土墻采用C25鋼筋混凝土,重度r=25 kN/m3;軸心抗壓強度設計值12.5 N/mm2;軸心抗拉強度設計值1.3 N/mm2。

回填料及地基參數:填筑料(砂巖石渣料)計算參數為C=0 kPa,Φ=33°,設計干密度為 2.0 g/cm3。

2 有限元模型

根據實際工程需要,數值計算采用三維力學模型。數值分析選取的計算范圍如圖1所示。根據以上分析,建立如圖1所示的幾何模型,有限元分析的參數與地勘建議值相同。

計算時根據地勘測得的滲透線確定高水位變化,具體地,取岸坡外水位最低時高程166 m,位于岸坡底部,最高時為180 m,接近岸坡頂部。水位在60 d內從166 m上升到180 m,并保持180 m到第80天,然后水位在第80天～第120天內下降到166m高程,繼續保持到第150天,以模擬實際情況中岸坡在5個月內的一次高低水位的變化情況。

3 結果分析

3.1 滑坡推力沿排樁的分配系數

對樁基和庫岸進行有限元分析,研究滑坡推力為1 500 kN/m斷面各種工況下各樁基的剪力分配規律,將各種結果得到的數據進行綜合加權平均(見表1)。

表1 各排樁剪應力和壓應力比例分布

分析表明,滑坡推力沿樁基基本是呈均勻分布的,內側樁基承受的滑坡推力略大于其他樁基,由于樁基頂部由承臺連接,樁基頂部變形協調,在填料顆粒均勻時各樁基承受的內力基本相同,但當滑動面有較大孤石或者填料較大時,可能導致滑坡推力不能向下傳遞,設計和施工時應當注意避免此類情況發生。

3.2 結構內力分析

根據以上綜合分析,對方案設計的各種典型斷面進行如圖2所示的力學分析,分析時取樁基底部自由,樁側根據進入基巖的巖層特性選取3個方向不同的水平抗力系數,樁徑和樁間距根據斷面實際情況選取,通過有限元和理論計算,選取合理的計算結構,得到主要截面的計算結果(見表2)。

從表2中可以看出,樁基前側基巖的水平抗力系數對結構的影響較大,計算設計時應當對樁基前巖石進行校核,防止樁基由于承受較大滑坡推力而導致樁基前基巖的漸進破壞。

3.3 庫岸安全性的影響

從圖3中可以看出,因坡體水位高于庫水位,導致邊坡內水的自重由土骨架來承擔。此時土體內的孔隙水與庫外水相通,對照不同情況下的邊坡安全系數即發現不同水位時邊坡安全系數的變化顯著。用簡化Bishop法求得的此時情況下邊坡安全系數與水位緩慢下降情況下邊坡的安全系數可見,邊坡安全系數隨著水位的下降先小幅度變小,后大幅變小達到最小值;當水位下降速率越大時,相同庫水位對應的邊坡安全系數基本上越小,邊坡安全系數達到最小值時對應的水位越高,且安全系數最小值數值變小。由此可以看出:水位下降速率越大時,邊坡越不穩定,故工程實際中盡量避免水位快速下降現象的發生。

3.4 水位陡升對庫岸安全性的影響

水位陡升是指因庫水位上升速度較快,樁基庫岸外水還來不及滲透到邊坡坡體內,而導致庫水位高于坡體水位的情況。

計算不同水位變化落差D下,岸坡的安全系數見圖4。從圖4中可以看出:除邊坡開始浸水的初始階段外,邊坡安全系數基本上符合隨著水位的上漲先略減小后急劇增大的變化趨勢;當水位上升速率越大時,相同庫水位對應的邊坡安全系數基本上越小,邊坡安全系數達到最小值時對應的水位越高,且安全系數最小值數值略變大。由此也可以看出:并不是水位上升速率越大邊坡越穩定。為了使邊坡盡可能的保持穩定,蓄水時先期速率可盡量大,到了一定程度后,即邊坡安全系數達到最小值后,蓄水的速率又應該盡量慢。至于水位多高時邊坡安全系數達到最小,應針對具體的邊坡條件進行分析。

4 結語

1)嵌入基巖的樁基對岸坡的穩定性影響較大。

2)當水位下降速率大時,樁基滑坡庫岸的安全系數基本上較小,當安全系數達到最小值時,對應的是中水位。且水位下降速率越大,邊坡越不穩定,工程實際中盡量避免水位快速下降現象的發生。當水位上升速率越大時,庫岸的安全系數也基本上越小,安全系數達到最小值時對應的也是中水位。

3)從總體上來看,水位驟降陡升均不利于樁基庫岸的穩定。

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