堤防軟土邊坡穩(wěn)定性分析

張莉萍, 李 進, 陳 勇, 王艷波

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計股份有限公司,江蘇 南京 210022)

堤防軟土邊坡穩(wěn)定性分析

張莉萍, 李 進, 陳 勇, 王艷波

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計股份有限公司,江蘇 南京 210022)

堤防堤基分布的軟土是堤防邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵性控制因素,軟土具有高含水率、大孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性、高靈敏度、流變性的特點,使得軟土邊坡的破壞形式也區(qū)別于一般粘性土邊坡。從工程實例出發(fā),通過軟土流變試驗研究軟土的長期強度衰減特征,并將試驗結(jié)果引入工程實際計算中,提出堤防工程軟土邊坡穩(wěn)定計算過程中強度參數(shù)應(yīng)采用長期強度指標作為邊坡穩(wěn)定計算參數(shù)。該研究成果對堤基下分布軟土的堤防邊坡的穩(wěn)定分析具有一定的理論指導(dǎo)意義。

堤防邊坡;軟土流變;強度衰減;變形特性

南京市位于長江中下游,區(qū)內(nèi)河網(wǎng)眾多,多圩區(qū),堤防歷經(jīng)多年修筑而成,許多堤防堤基下分布有深厚層的淤泥質(zhì)土,軟基上的堤防穩(wěn)定性主要為軟土層的承載能力所控制,同時,在一定程度上也受到水位驟降的影響[1]。已建堤防在多年運行過程中基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。近年來,南京地區(qū)汛期接連發(fā)生短時期強降雨,造成城市內(nèi)澇,農(nóng)田被淹,多條主干河道水位超歷史,造成極大的經(jīng)濟損失,因此,擴大河道行洪能力、提高區(qū)域防洪標準要求日趨強烈,在此背景下,進行堤防加固和河道拓浚成為主要的工程建設(shè)內(nèi)容。最近幾年的工程建設(shè)中已發(fā)生多起軟土堤基上的堤防邊坡穩(wěn)定的問題,造成巨大的經(jīng)濟損失,同時在進行后期堤防邊坡修復(fù)的過程中遇到各種各樣的問題。軟土具有流變性、高含水率、大孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性及高靈敏度等特點,而軟土流變性是其力學特性不同于一般粘性土重要特性之一,土的流變特性使得軟土變形和應(yīng)力狀態(tài)隨時間變化,從而對邊坡的穩(wěn)定性及地基承載力具有顯著影響[2-3]。

本文以南京市九鄉(xiāng)河一期治理工程為例,研究軟土的流變特性引起的強度指標衰減對堤防邊坡穩(wěn)定影響。

1 場區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

九鄉(xiāng)河為長江支流,擬建場地屬長江漫灘地貌,堤防兩側(cè)原始地面標高▽8.70～▽9.50 m,現(xiàn)狀河堤堤頂高程一般在▽13.00～▽14.00 m。由于右岸九鄉(xiāng)河公園建設(shè),右岸堤后填土高于堤防堤頂,局部堆高達▽20.00 m。

1.2 地層巖性

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of typical engineering

1.3 水文地質(zhì)條件

場地地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙潛水。地下水位變化主要受大氣降水及河水位的影響,地下水與九鄉(xiāng)河有著較為密切的水力聯(lián)系。

1.4 堤防工程地質(zhì)條件分類

本段河道堤防堤基廣泛分布著軟粘土,按《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL188—2005),堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為雙層結(jié)構(gòu)(上厚粘性土,下淤泥質(zhì)土),堤基工程地質(zhì)條件為C類,堤岸的穩(wěn)定性屬于3類,穩(wěn)定性較差岸坡。

2 土的物理力學性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定計算

2.1 土的物理力學性質(zhì)

本次試驗所取軟土試樣來自南京市九鄉(xiāng)河治理工程右岸,取樣高程▽1.0～▽4.0 m,屬于第四系全新世軟土,灰色,含有機質(zhì),稍具臭味,局部夾砂壤土層,流塑狀態(tài)。天然含水率為40%左右,通過顆粒分析得到軟土粘粒(粒徑<0.005 mm)含量約為26%～34%,具體物理力學性質(zhì)指標見表1。

2.2 河道邊坡的拓浚方案

擬拓浚河道為南京九鄉(xiāng)河仙林大學城段,該工程為秦淮東河的先導(dǎo)段和試驗段,河道斷面按照九鄉(xiāng)河、秦淮東河工程的要求確定:河底高程2.5 m,河道在用地范圍內(nèi)向右岸拓寬,左右岸坡比均為1∶2.5,迎水坡8.5 m高程處設(shè)2.5 m寬平臺,開挖方式為干法施工,機械開挖。

表1 穩(wěn)定性計算土體物理力學參數(shù)取值Table 1 Stability calculation of physical mechanics parameters of earth mass

注:Cq、φq為直剪試驗的快剪強度指標;Cc、φc為直剪試驗的固結(jié)快剪強度指標。

2.3 邊坡設(shè)計參數(shù)選用及計算成果

根據(jù)地勘成果,按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[4]及《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386—2007)[5]要求對穩(wěn)定滲流期、水位降落期及施工期三種工況進行設(shè)計斷面的岸坡穩(wěn)定計算,計算方法采用瑞典圓弧法進行。其中施工期(最不利工況:雨后水位驟降)計算成果見表2。

表2 不同強度指標下施工期土坡穩(wěn)定計算成果Table 2 The calculation results of soil slope stability in construction period under different strength indexes

由表2可見,采用直快指標施工期邊坡處于非穩(wěn)定狀態(tài),而根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄F及《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386—2007)附錄C對施工開挖及水位降落期建議采用固結(jié)快剪指標對邊坡穩(wěn)定進行設(shè)計斷面的岸坡穩(wěn)定計算,因此認為堤防整體施工期處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 施工期情況及滑坡反分析結(jié)果

本工程河道采用干法施工(為加快施工進度施工單位一般在雨后2—3 d內(nèi)抽干河水,最大水位降幅約達6 m),施工過程中,河道左岸在坡面開挖成型后(建設(shè)方案為修坡)發(fā)生多處軟土邊坡坡面變形狀況(見圖2),右岸(建設(shè)方案為開挖)更是在坡面開挖基本成型一個禮拜發(fā)生滑坡。滑坡發(fā)生后,對施工成型斷面(考慮兩級施工平臺8.5 m、11.5 m施工機械,水位驟降)進行反分析模擬,計算模型中以臨界狀態(tài)(安全系數(shù)K=1)反分析軟土(淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土)臨界抗剪強度指標(采用同時折減C、φ的方法),得到臨界狀態(tài)下淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土凝聚力C=16.2 kPa、內(nèi)摩擦角φ=11.3°。

圖2 左岸軟土邊坡局部變形圖Fig.2 The local deformation of soft soil slope on left bank

根據(jù)工程案例,發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計計算中如采用直快指標結(jié)果則土坡不穩(wěn),而采用固快指標則過高地估計了處于欠固結(jié)狀態(tài)的軟土的抗剪強度,造成計算結(jié)果不安全。因此,軟土邊坡由于土體的流變特性,其應(yīng)力狀態(tài)及變形隨時間變化而對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為此,必須研究土體流變特性對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3 軟土的流變特性試驗及邊坡加固處理建議

3.1 試驗設(shè)計

本次試驗采用應(yīng)變控制三軸儀進行,試驗步驟如下:①依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)[6]三軸壓縮試驗的要求進行制樣;②土樣在σ3(50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa)圍壓下固結(jié);③在不排水條件下,施加偏應(yīng)力將試樣剪破,剪切應(yīng)變速率分別采用0.08%/min(正常三軸CU試驗剪切速率)及0.008%/min

圖3 不同圍壓下軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between axial strain and principal stress difference under different confining pressure

(慢剪試驗剪切速率,模擬長期強度指標)。本試驗設(shè)計考慮軟土的滲透系數(shù)小、水不易排出的特點,同時考慮軟土緩慢加載下強度變化特征。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖3給出了不同剪切應(yīng)變速率、不同圍壓下軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線,由圖3可見,在不排水條件、相同圍壓下剪切應(yīng)變速率0.008%/min土體的剪破強度比固結(jié)不排水剪切試驗得到的剪破強度小了很多,說明加載的速率越慢,土體剪破強度越小,在荷載作用下,土體長期強度是減小的。各圍壓下強度衰減結(jié)果見表3。

表3 不同圍壓下強度衰減率Table 3 The strength attenuation rate under different confining pressures

不同圍壓下,考慮土體流變的強度衰減率為85%～94%,通過反分析可知:臨界狀態(tài)下淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土強度衰減率為88%,所以采用考慮土體流變的強度指標參數(shù)進行軟土邊坡長期穩(wěn)定分析是合理的。

3.3 邊坡加固處理方案

滑坡、坡面變形發(fā)生后,根據(jù)反分析結(jié)果結(jié)合流變試驗,對試驗段未實施段進行變更設(shè)計,對左岸坡面變形處采用5 m杉木樁進行局部加固處理;右岸將▽8.5 m平臺加寬至15 m,并對局部變形段采用杉木樁進行加固處理。同時對已發(fā)生滑坡段進行削坡減載,并設(shè)置抗滑樁進行加固處理。

4 結(jié)語

本文以南京市九鄉(xiāng)河治理工程為例,研究軟土在

荷載作用下的強度衰減特性,通過室內(nèi)流變試驗得到衰減后強度指標和反分析得出邊坡臨界狀態(tài)下的強度指標基本吻合,采用長期強度指標用作邊坡穩(wěn)定分析且調(diào)整設(shè)計方案后,未發(fā)生大的滑坡,施工期采用杉木樁加固處理后的邊坡變形也有了明顯緩解。所以在堤基下分布軟土的堤防邊坡應(yīng)選擇長期強度指標作為設(shè)計依據(jù)。

[1] 徐光明,高長勝,張凌,等.軟土地基上堤防穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報,2005(7):2315-2321.

[2] 楊愛武,杜東菊,盧力強.天津吹填軟土沉積特性及其微觀結(jié)構(gòu)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(5):83-87.

[3] 楊愛武,張兆杰,孔令偉.不同應(yīng)力狀態(tài)下軟黏土蠕變特性試驗研究[J].巖土力學,2014,35(2):53-59.

[4] 中華人民共和國水利部.堤防工程設(shè)計規(guī)范:GB50286—2013[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[5] 中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范:SL386—2007[S].北京:中國水利水電出版社,2007.

[6] 中華人民共和國水利部.土工試驗規(guī)程:SL237—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

(責任編輯：于繼紅)

Slope Stability Analysis of Embankment Soft Soil

ZHANG Liping, LI Jin, CHEN Yong, WANG Yanbo

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstitute,Co.Ltd.,Nanjing,Jiangsu200022)

The soft soil distributed in the embankment foundation is key control factors of embankment slope stability,it has the characteristics of high moisture content,large void ratio,high compressibility,low strength,low permeability,high sensitivity and rheological. Therefore,the failure forms of soft soil slopes are different from those of general cohesive soil slopes. This paper is based on engineering example,long-term strength attenuation characteristics of soft soil are studied by rheological test of soft soil. And the experimental results are introduced into the practical engineering calculation. As a result,long-term strength index should be used as a parameter of slope stability calculation in stability calculation of soft soil slope in embankment project. The results of this study has a certain theoretical guidance significance to the analysis of soft soil distributed in the embankment foundation.

embankment slope; rheology of soft soil; strength attenuation; deformation characteristics

2017-06-15;改回日期:2017-06-16

張莉萍(1972-),女,高級工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及巖土工程相關(guān)勘察及設(shè)計工作。E-mail:516954123@qq.com

TV871

A

1671-1211(2017)04-0460-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.022

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.006.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:20