某河道邊坡抗滑樁加固前后安全性分析

馬 杰，高 健，劉 聰

(1.南京河西工程項目管理有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

某河道承擔著該地區(qū)防洪行洪重要功能，也是城市引水調(diào)水改善水環(huán)境質(zhì)量的重要通道。為保障該區(qū)域行洪安全、改善水質(zhì)、優(yōu)化引排體系、提升濱水環(huán)境，需對該河道進行綜合整治。河道長約9.3km，左岸主要是拆除擋墻及硬質(zhì)護坡，對局部堤段擬進行抗滑處理。右岸堤頂高程不足，對局部堤段擬設(shè)置防洪墻，防洪墻采用鋼筋混凝土灌注樁進行地基處理[1]。河道堤頂設(shè)計高程11.62～11.39m，河底高程5.0～3.5m。堤頂設(shè)計寬度不小于6m，條件受阻且后方有臨近市政道路可借用為防汛道路時，設(shè)計寬度不小于3m。

為了確保河道治理過程中河道邊坡安全，治理前對邊坡安全性進行分析。已有文獻通過數(shù)值模擬對邊坡安全系數(shù)進行分析[2]，也有文獻通過傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性計算方法進行邊坡安全評估[3- 4]。本文將2種方法相結(jié)合，通過三維有限元數(shù)值模型和理正巖土計算軟件，計算發(fā)現(xiàn)局部河堤自然邊坡安全系數(shù)較低，若采用抗滑樁對邊坡進行加固，抗滑樁尺寸有待確定。

2 地質(zhì)參數(shù)

本文取最危險斷面進行研究，該斷面地層分布如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場勘察、室內(nèi)土工試驗、原位測試結(jié)果，勘察范圍內(nèi)自然沉積土層自上而下劃分為6層11亞層[5]，具體如下：

①素填土。

②粉質(zhì)黏土：廣泛分布。黃褐色-灰色，可塑-軟塑，壓縮性中等，局部高壓縮性，局部夾粉土薄層，含少量鐵錳結(jié)核，偶見螺殼。厚度0.60～8.70m，頂板埋深0.50～6.30m。

圖1 原始邊坡安全系數(shù)

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：場地內(nèi)普遍分布。灰色，灰黑色，流塑，高壓縮性。土質(zhì)不甚均勻，含少量腐殖質(zhì)，具層理，局部呈千層餅狀，夾粉土、粉砂薄層，該層與③1粉質(zhì)黏土(軟塑-流塑)呈互層狀出現(xiàn)或交錯相變。部分鉆孔未揭穿，厚度1.00～19.50m，頂板埋深0.50～31.60m。

③1粉質(zhì)黏土(軟塑-流塑)：廣泛分布。灰色-灰黑色，軟塑-流塑，中-高壓縮性，局部呈千層餅狀，夾粉土、粉砂薄層，該層與③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈互層狀出現(xiàn)或交錯相變。部分鉆孔未揭穿，厚度0.90～25.00m，頂板埋深0.60～31.60m。

③2粉土：局部分布。灰-青灰色，松散-稍密，局部中密，飽和。夾薄層粉砂，呈透鏡體狀或夾層狀分布于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1粉質(zhì)黏土(軟塑-流塑)中。部分鉆孔未揭穿，厚度0.80～4.10m，頂板埋深0.60～24.30m。

④粉質(zhì)黏土：局部分布。灰褐色-黃褐色，局部灰黑色，可塑，局部硬塑，中等壓縮性，土質(zhì)較均勻，切面較光滑，韌性及干強度中等，含少量鐵錳結(jié)核。部分鉆孔未揭穿，厚度1.70～10.20m，頂板埋深15.70～31.50m。

④1粉土：局部分布。深灰色，中密，飽和。夾薄層粉砂及粘性土。部分鉆孔未揭穿，厚度1.00～7.80m，頂板埋深29.80～36.50m。

④2粉、細砂：局部分布。灰色，青灰色，中密-密實，飽和，成分以石英、長石為主，含云母碎片，具水平狀沉積層理，夾薄層稍密狀粉土，層厚一般1～2cm，分布不均勻，局部富集。搖振反應(yīng)迅速。該層局部未揭穿，厚度2.80～11.10m，頂板埋深26.40～36.90m。

④3中粗砂混礫石：局部分布。灰色，密實，成分以中粗砂為主，含少量礫砂，混少量礫石，礫石粒徑2～20mm，局部10～30mm。該層局部未揭穿，厚度1.80～9.30m，頂板埋深18.50～43.90m。

⑥強-中等風化粉砂質(zhì)泥巖：場地內(nèi)局部揭露。棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖石結(jié)構(gòu)部分破壞，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，遇水軟化，手掰易斷，風干后易崩解，巖芯呈短柱狀，少量碎塊狀，巖芯采取率80%。屬極軟巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。該層未揭穿，最大可見厚度5.40m，頂板埋深20.40～48.80m。

⑦中等風化泥質(zhì)砂巖：僅NH12A孔揭露。棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，遇水易軟化，風干后易崩解，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差，巖石結(jié)構(gòu)部分破壞，巖芯呈柱狀，少量碎塊狀，巖芯采取率90%。屬極軟巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。該層未揭穿，最大揭露厚度4.40m，頂板埋深7.60m。

3 數(shù)值模型及參數(shù)

場地加固前，通過三維有限元軟件對擬采用的加固方案進行驗證，計算使用達索SIMULIA公司開發(fā)的ABAQUS有限元軟件[6]。模型左側(cè)水位在壩頂以下1.0m深度處，右側(cè)假設(shè)水位為6.9m標高處，河道蓄水(水壓力)作用于6.9m以下坡面和河道底部，施工期荷載形式為作用在壩頂30kPa的均布荷載(消防車通過)。土層采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，土層簡化為4層，以壩頂為0點，0～5.6m為填土，5.6～7.7m為粉質(zhì)黏土，7.7～35.0m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，35.0～40.0m為細砂層，左、右側(cè)地下水位高度不同，水位以上采用天然重度，水位以下土層采用浮重度。具體計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 原始邊坡安全性分析

圖2為采用強度折減法計算得到的強度折減系數(shù)和堤壩頂某點變形隨計算步(虛擬時間)的變化曲線，以計算收斂點作為邊坡安全系數(shù)判定準則，邊坡安全系數(shù)為1.25；以變形陡降點為邊坡安全系數(shù)判定準則時，邊坡安全系數(shù)為1.15。

圖2 原始邊坡安全系數(shù)

圖3給出了變形云圖與邊坡塑性應(yīng)變云圖(PEMAG)，考慮蓄水影響和施工期荷載(壩頂為30kPa均布荷載)。從圖3中可知，坡腳變形最大。塑性區(qū)云圖顯示，塑性區(qū)從坡腳延伸到堤壩左岸，潛在滑動面底面深度約為壩頂以下24m。

圖3 邊坡沉降云圖與塑性應(yīng)變云圖

此工況下，通過理正巖土軟件，采用圓弧滑動法驗算了邊坡的安全系數(shù)為1.25時的潛在滑移面位置。根據(jù)土層分布，計算分為6個區(qū)域。水面線起始點坐標為(18.000，2.600)，條分法的土條寬度為0.5m，搜索時的圓心步長0.5m，搜索時的半徑步長為0.1m。計算結(jié)果如圖4所示，計算總的下滑力為2145.383kN，總的抗滑力為2711.286kN。滑動圓心坐標為(28.500，8.000)，滑動半徑約為26.4m，滑移面底部距離壩頂深度約為25.6m，與數(shù)值計算的滑動面深度(24m)相近。

綜上所述，原始場地在水位和施工荷載的共同作用下，滿足設(shè)計安全系數(shù)1.25時潛在滑動面深度約為壩頂以下25m處。

圖4 圓弧滑動方法計算詳情及結(jié)果

4.2 抗滑樁加固分析

結(jié)合上述2種計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)滿足設(shè)計安全系數(shù)1.25時潛在滑動面深度約在壩頂以下約25m處，在壩頂以下4.5m處的坡面打抗滑樁，抗滑樁樁頂距離潛在滑動面的距離約為21m，擬打穿潛在滑動面5m來抵抗邊坡滑動，預(yù)計樁長為26m。基于此，建立了三維有限元數(shù)值模型。樁身模量為30GPa，由于樁頂沒有豎向荷載，樁土接觸參數(shù)根據(jù)Randolph和Wroth的經(jīng)驗計算公式確定[7]。

圖5為計算得到的強度折減系數(shù)和堤壩某點變形隨計算步(虛擬時間)的變化曲線，以沉降陡降點作為邊坡破壞的判定準則時，此時邊坡安全系數(shù)約為1.40；當以計算收斂點作為邊坡安全系數(shù)判定準則時，邊坡安全系數(shù)約為1.50。

圖6給出了打樁后沉降云圖與邊坡塑性應(yīng)變云圖(PEMAG)。從圖6可知，邊坡變形從陡降變?yōu)榫徑担茐哪Ｊ桨l(fā)生變化，左側(cè)變形得到有效控制。塑性區(qū)云圖顯示，抗滑樁的存在有效減小了左側(cè)塑性區(qū)的范圍，潛在滑動面較原始邊坡有下移趨勢，但沒有貫通樁端，滑移面的下移也代表著安全系數(shù)的提高。

圖5 打樁后某點變形與FV1隨計算時間的變化

圖6 打樁后邊坡沉降云圖與塑性應(yīng)變云圖

同理，采用圓弧滑動法計算打樁后邊坡的最危險滑動面及安全情況。水面線起始點坐標為(0.000，2.600)，條分法的土條寬度為1.0m，搜索時的圓心步長1.0m，搜索時的半徑步長為0.5m。計算結(jié)果如圖7所示，滑動圓心坐標為(28.514，12.448)，滑動半徑約為18.3m。計算總的下滑力為1188.839kN，總的抗滑力為1724.674kN，計算滑動安全系數(shù)約為1.45，和三維有限元計算結(jié)果基本吻合。由于搜索滑動面為最危險滑動面，因此滑動面較原始邊坡安全系數(shù)1.25時明顯提高。

5 結(jié)語

文章依托某河道邊坡治理工程，對該工程的地質(zhì)情況進行介紹，通過ABAQUS三維有限元數(shù)值模型和理正巖土軟件，計算得出原始河道邊坡安全系數(shù)較低的結(jié)論。而后，已知安全系數(shù)1.25，通過設(shè)置邊坡抗滑樁反演計算，進一步通過ABAQUS三維有限元數(shù)值模型和理正巖土軟件計算得到抗滑樁加固后的邊坡安全，驗證了邊坡加固方式的合理性和可行性，為相似工程安全性評估提供參考。如可得到后續(xù)施工過程的實測數(shù)據(jù)，可進一步補充驗證計算方法。

圖7 打樁后圓弧滑動法計算結(jié)果