河水上漲與極限法土條間作用力的關(guān)系研究

彭 堅

(深圳市合冠建設(shè)工程有限公司，廣東 深圳 518101)

0 前 言

土質(zhì)河岸邊坡，由于修筑工序成熟，施工方法和技術(shù)較為完善，是許多地區(qū)進行河流岸坡設(shè)計的首選類型，尤其在取土相對容易，土方價格合理的地區(qū)。詹良通等通過對某底部鋪設(shè)復合襯墊材料的衛(wèi)生填埋場地進行降雨條件下的邊坡失穩(wěn)后反向分析，基于現(xiàn)場關(guān)鍵變形參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析后，提出了針對該種基地材料，應采用的控制堆積體降雨條件下破壞發(fā)生的措施[1-2]。李永亮等對強度折減法的三種失穩(wěn)判據(jù)在進行有限元邊坡穩(wěn)定性研究的適用性進行了探討，其依托一實際公路工程邊坡項目，采用PLAXIS有限元軟件進行分析，得出各類邊坡應采用的判據(jù)方案[3-4]。李滿意等對區(qū)別于一般土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的類土質(zhì)邊坡進行了邊坡穩(wěn)定性研究，以重慶市洞堂灣類土質(zhì)邊坡的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件分析為基，進而得出其破裂模式，后又通過平面滑動法的理論分析得出了相吻合的破裂模式分析結(jié)果[5-6]。李邵軍等對由于三峽庫區(qū)水位頻繁升降變化的顯著特點而造成的大量滑坡災害進行了試驗研究，建立與三峽典型滑坡相似的土質(zhì)邊坡試驗離心模型，通過數(shù)字化監(jiān)測和攝影手段記錄滑坡發(fā)生發(fā)展過程及孔壓、位移變化，得出其破壞模式[7-8]。林鴻州等基于降雨條件下土質(zhì)邊坡試驗結(jié)果，提出以時雨量和累積雨量作為判別土質(zhì)邊坡將要發(fā)生何種類型的邊坡失穩(wěn)災害的判據(jù)[9-10]。劉郴玲等采用數(shù)值分析方法，并將重力增加法應用于紅石巖實例邊坡工程，通過引入界面單元對邊坡建模進行連續(xù)-離散計算分析，認為連續(xù)-離散方法對邊坡進行失穩(wěn)變形分析有助于失穩(wěn)后的邊坡土體運動變化結(jié)果的呈現(xiàn)和觀察[11-12]。

以下對一河流岸坡進行數(shù)值模擬分析河流水位上漲時，邊坡土體間相互作用力變化情況，采用Geo-studio軟件進行實體建模分析，討論河流水位上漲前后土體間正應力和橫向應力變化規(guī)律，對比分析汛期8m河流水位條件下和常態(tài)5m河流水位條件下的土間作用力和土與危險滑動面間作用力，總結(jié)河流水位上漲時主要對土中內(nèi)力產(chǎn)生什么影響。為我國華北平原地區(qū)河流岸坡的加固和失穩(wěn)預防提供了借鑒。

1 工程地質(zhì)

該河流岸坡屬于南水北調(diào)工程接入市政管網(wǎng)的咽喉河流，關(guān)乎市計民生，如圖1所示，該河流岸坡由兩層壓實土修筑，上層為黏土，下層為碎石土，相關(guān)物理力學參數(shù)如表1所示。該河流設(shè)計兩種季節(jié)控制水位，汛期6-9月份采用控制8m河流水位，其它月份采用控制5m河流水位。

圖1 土質(zhì)岸坡剖面圖

表1 各土層相關(guān)計算參數(shù)

2 Geo-studio的極限平衡法

極限平衡法用于邊坡穩(wěn)定性分析被反復驗證，Geo-studio軟件正是基于極限平衡方法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，計算結(jié)果能夠很好呈現(xiàn)出失穩(wěn)土體內(nèi)部土條之間的作用力，且能夠進行水力學計算分析，將水位面波動效應耦合計算。

3 構(gòu)建岸坡模型

采用繪制草圖的方法繪制岸坡和水位線輪廓，之后通過設(shè)置區(qū)域?qū)镀聞澐殖蓛蓚€區(qū)域土體，通過輸入材料屬性，設(shè)置兩種不同的材料特征，之后賦予相應的土層區(qū)域，再通過設(shè)置相應的邊界條件獲得不同的河流水位邊界，并對其它邊界條件進行設(shè)置，設(shè)計好的河流岸坡模型如圖2所示。

圖2 河流邊坡模型

4 模擬結(jié)果

以下通過對不同河流水位條件下的計算結(jié)果中土體內(nèi)作用力的分析，得出河流水位上漲時，河岸邊坡土體內(nèi)作用力變化特點。

4.1 河流非汛期水位5m時

圖3所示是河流非汛期水位5m時，邊坡內(nèi)土條10的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量、基底正向作用力、基地切向作用力、條塊左側(cè)正向作用力、條塊左側(cè)側(cè)向作用力、條塊右側(cè)正向作用力、條塊右側(cè)側(cè)向作用力、基底抗剪應力，相關(guān)參數(shù)具體值見表2。

圖3 非汛期水位5m時，條塊10的作用力

圖4所示是河流非汛期水位5m時，邊坡內(nèi)土條12的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量60.363 kN/m3、基底正向作用力50.885 kN、基地切向作用力21.758 kN，由此可見，條塊與基底間正向作用力遠大于切向摩阻力，條塊左側(cè)正向作用力126.12kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力60.742kN、條塊右側(cè)正向作用力131.1kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力65.99kN，可見，條塊與條塊間正向作用力遠大于切向摩阻力，基底抗剪應力40.239kPa，具體各相關(guān)參數(shù)的值見表2。

圖4 非汛期水位5m時，條塊12的作用力

表2 各土條內(nèi)力值

續(xù)表2 各土條內(nèi)力值

4.2 河流汛期水位8m時

圖5所示是河流汛期水位8m時，邊坡內(nèi)土條10的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量69.485kN·m-3、基底正向作用力60.602 kN、基地切向作用力18.936kN，由此可見，條塊與基底間正向作用力遠大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時的條塊10的重量、基底正向作用力明顯增大，基底切向作用力變化幅度較小，條塊左側(cè)正向作用力153.45kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力47.085kN、條塊右側(cè)正向作用力167.78kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力54.721kN，可見，條塊與條塊間正向作用力遠大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時的條塊10的左、右側(cè)正向作用力明顯增大，左、右側(cè)切向作用力變化幅度較小，基底抗剪應力27.41kPa，明顯小于非汛期水位5m時35.899kPa。

圖5 汛期水位8m時，條塊10的作用力

圖6所示是河流汛期水位8m時，邊坡內(nèi)土條12的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量71.373kN·(m3)-1、基底正向作用力63.666 kN、基地切向作用力18.362kN，由此可見，條塊與基底間正向作用力遠大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時的條塊12的重量、基底正向作用力明顯增大，基底切向作用力變化幅度較小，條塊左側(cè)正向作用力180.59kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力61.725kN、條塊右側(cè)正向作用力191.64kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力67.767kN，可見，條塊與條塊間正向作用力遠大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時的條塊12的左、右側(cè)正向作用力明顯增大，左、右側(cè)切向作用力變化幅度較小，基底抗剪應力27.77kPa，明顯小于非汛期水位5m時40.239kPa。

圖6 汛期水位8m時，條塊12的作用力

5 結(jié) 論

1)河流汛期水位升高時，條塊重量及條塊與基底間作用力相較于非汛期時的條塊重量、基底正向作用力明顯增大，而基底切向作用力變化幅度較小。

2)條塊與條塊間正向作用力在河流水位向上波動時，相較于非汛期水位5m時的條間正向作用力明顯增大，而條塊與條塊間切向作用力變化幅度較小。

3)隨著汛期到來，河流岸坡的基底抗剪應力會顯著減小，建議加強河流水位監(jiān)測。