山地垂直阻隔墻施工對邊坡穩(wěn)定性影響研究

包 偉，華俊杰，高林紅

(1.鎮(zhèn)江市規(guī)劃勘測設(shè)計集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000 )

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加速，土壤和地下水污染問題日益突出，嚴(yán)重違背可持續(xù)發(fā)展理念，通常采用垂直阻隔墻的方式來預(yù)防土壤和地下水污染的運(yùn)移，由于大部分污染工廠建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)，不可避免地需要在山地污染場地進(jìn)行垂直阻隔墻施工，垂直阻隔墻施工對邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視。

目前，對邊坡和溝槽開挖的穩(wěn)定性做了深入研究，并取得了大量成果。程燦宇等[1]采用強(qiáng)度折減法，對比研究了不同有限元軟件，邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果的差異。楊才等[2]采用ABAQUS有限元軟件，將塑性區(qū)貫通判據(jù)下的安全系數(shù)與計算不收斂和特征點(diǎn)位移發(fā)生拐點(diǎn)判據(jù)得出的安全系數(shù)進(jìn)行對比，歸納出邊坡失穩(wěn)時等效塑性應(yīng)變達(dá)到的數(shù)量級。劉奉銀等[3]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，模擬計算不同密度的泥漿以及泥漿分層后槽壁的位移，對槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。溫世游等[4]采用有限元方法，模擬溝槽開挖中泥漿護(hù)壁的過程和效果，給泥漿護(hù)壁提供合理的濃度范圍。針對邊坡附近進(jìn)行溝槽開挖的研究較少，秦坤元等[5]采用有限差分軟件FLAC3D，對削坡及基坑開挖支護(hù)進(jìn)行模擬，分析了削坡、基坑開挖對臨近邊坡的影響。劉繼強(qiáng)等[6]運(yùn)用數(shù)值分析方法，對不同距離下，邊坡對基坑的影響進(jìn)行了分析，考察了邊坡與基坑之間合理的設(shè)計間距。總之對于邊坡和溝槽開挖的穩(wěn)定性研究，主要關(guān)注其中的某一方面，對于兩者相互影響的研究，也主要體現(xiàn)為基坑開挖與邊坡穩(wěn)定性之間的相互影響，但垂直阻隔墻施工對邊坡穩(wěn)定性影響的研究較少，因此有必要開展進(jìn)一步研究。

本文以某山地污染場地垂直阻隔墻施工為背景，基于Midas GTS/NX有限元軟件，分析溝槽開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響，并確定一次性開槽長度，在開槽長度確定的基礎(chǔ)上，提出下一槽段開始施工的時間，給出了不同施工階段下，泥漿重度取值范圍。

1 工程概況

擬建垂直阻隔墻位于污染場地北側(cè)，呈東西走向，污染場地絕對標(biāo)高為40.0 m，垂直阻隔墻位于邊坡平臺絕對標(biāo)高33.0 m。勘察資料顯示，施工場地范圍內(nèi)地層自上而下依次為：雜填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖、石灰?guī)r。部分鉆孔未見地下水，測得地下水位的鉆孔，水位位于孔口下0.7～13.5 m，水位隨地形起伏而變化。

2 三維模型的建立

模型計算范圍的控制原則為邊界條件不能過大地影響關(guān)心部位的計算結(jié)果，溝槽開挖可類似看成長條形基坑開挖，根據(jù)以往研究經(jīng)驗，基坑數(shù)值計算時，模型外擴(kuò)范圍宜不小于3倍基坑深度[7]，邊坡數(shù)值計算時，坡腳到模型側(cè)邊界為1.5倍坡高，坡頂?shù)侥Ｐ蛡?cè)邊界為2.5倍坡高，模型上下邊界為2倍坡高[8]。結(jié)合基坑和邊坡計算范圍的經(jīng)驗規(guī)定，確定整體模型計算范圍為長120 m，寬108 m，土層計算深度為43 m。計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

模型側(cè)面限制其水平方向位移，下表面為固定邊界，上表面為自由邊界。土體和垂直阻隔墻采用實(shí)體單元模擬，泥皮采用板單元模擬，泥漿壓力與開槽深度呈正相關(guān)。修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型將卸載模量和加載模量加以區(qū)分，對于溝槽開挖過程，計算結(jié)果與工程實(shí)際更加接近，因此土體本構(gòu)采用修正摩爾-庫倫模型[9]。具體計算參數(shù)見表1。

表1 土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)垂直阻隔墻施工過程，數(shù)值模擬設(shè)置了四個施工工況：①初始地應(yīng)力平衡；②溝槽開挖，激活泥皮和泥漿壓力；③已開挖段垂直阻隔材料澆筑；④下一槽段開挖，激活泥皮和泥漿壓力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同開槽長度對邊坡穩(wěn)定性影響分析

MIDAS/GTS基于強(qiáng)度折減原理(SRM)自動搜索潛在滑動面并求得自然邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.5，自然邊坡等效應(yīng)變云圖如圖2所示。開槽長度為1.85、2.90、3.95 m時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.49、1.48和1.47，雖然開槽長度在不斷增加，但邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)基本不變，說明局部的溝槽開挖，并不影響邊坡的整體穩(wěn)定性。但邊坡穩(wěn)定性體現(xiàn)的是整體滑移情況，并不能體現(xiàn)在開挖溝槽過程中，溝槽側(cè)壁因卸荷而產(chǎn)生較大位移，導(dǎo)致局部坍塌現(xiàn)象。

圖2 自然邊坡等效應(yīng)變云圖

因此從塑性區(qū)、溝槽開挖所形成的水平位移以及地表沉降的角度對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由圖3塑性區(qū)范圍云圖可知，開槽長度為1.85 m和2.90 m時，塑性區(qū)范圍較小，而開槽長度為3.95 m時，塑性區(qū)范圍發(fā)展較大，在開槽深度為10.5～11.5 m的槽壁出現(xiàn)寬度為2.6 m的塑性區(qū)，表明該區(qū)域土體已被剪切破壞，易發(fā)生坍塌。

(a)1.85 m

(b)2.90 m

(c)3.95 m圖3 不同開槽長度的塑性區(qū)范圍云圖

由圖4(a)已開槽槽段水平位移變化曲線可知，隨著開槽長度的增加，水平位移逐漸增大，最大水平位移由15.3 mm增加到60.6 mm，與開槽長度1.85 m相比，開槽長度增加到2.90 m時，最大水平位移增大了6.0 mm，開槽長度增加到3.95 m時，最大水平位移增大了45.3 mm，且最大水平位移并未出現(xiàn)在槽底附近，而是出現(xiàn)在土質(zhì)較差的雜填土層。由圖4b地表沉降變化曲線可知，隨著開槽長度的增加，已開槽槽段邊界處地表沉降逐漸增大，增大趨勢并非線性，而是當(dāng)開槽長度1.85 m和2.90 m時，地表沉降比較接近，當(dāng)開槽長度增加為3.95 m時，地表沉降相對較大。

(a)已開槽槽段水平位移變化曲線

(b)地表沉降變化曲線圖4 位移變化曲線

3.2 下一槽段開槽時間對邊坡穩(wěn)定性的影響

在開槽長度2.90 m情況下，進(jìn)行垂直阻隔材料澆筑，分別在澆筑材料齡期達(dá)到7、14、28 d時，進(jìn)行下一槽段的開挖，計算得到下一槽段開挖范圍內(nèi)水平位移云圖如圖5所示。由圖5(a)～(c)可知，隨著齡期的增加，下一開挖槽段范圍內(nèi)的最大水平位移變化趨勢并不明顯，基本在20 mm左右，但從圖中可明顯看出，水平位移的大小分布發(fā)生了較大變化。若在齡期7 d或14 d時開挖下一槽段，則水平位移大于3 mm的范圍占比較大，占總面積的1.5%，若在齡期28 d時開挖下一槽段，則水平位移大于3 mm的范圍占比較小，占總面積的0.6%。

(a)7 d齡期

(b)14 d齡期

(c)28 d齡期圖5 開槽長度2.90 m時澆筑材料在不同齡期下水平位移圖

3.3 不同泥漿重度對邊坡穩(wěn)定性的影響

上述分析過程，采用的泥漿重度均為12 kN/m3，針對泥漿重度的改變對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)一步開展研究，重復(fù)上述施工工況的模擬，分別設(shè)置泥漿重度為11 kN/m3和13 kN/m3。

由圖6(a)已開槽槽段水平位移變化曲線可知，一方面，在泥漿重度確定的情況下，成槽深度較淺的0～4 m，土體地應(yīng)力并不算大，而泥漿護(hù)壁產(chǎn)生的側(cè)壓力也較小，所以成槽槽段水平位移雖然有所增大，但最大不超過5 mm，當(dāng)成槽深度繼續(xù)增加，土體地應(yīng)力逐漸增大，成槽槽段水平位移增長加快，直至進(jìn)入巖石層，成槽槽段水平位移開始減小。在成槽深度約11 m時，成槽槽段水平位移達(dá)到最大值。另一方面，隨著泥漿重度的增加，成槽槽段水平位移略有減小，但整體變化不大。由圖6(b)可知，一方面，在泥漿重度確定的情況下，地表沉降類似于懸臂基坑的三角形沉降模式[10]，地表沉降最大值位于成槽槽段邊界處，地表沉降值隨著距成槽槽段邊界距離的增加而減小，當(dāng)距離超過35 m后，地表沉降接近于零，影響相對較小。另一方面，隨著泥漿重度的增加，成槽槽段邊界處地表沉降反而有所增大，是因為伴隨著泥漿重度的增加，泥皮厚度也逐漸增加(在模擬時分別賦予了40、60、80 mm的屬性)，側(cè)摩阻力反而越來越小，導(dǎo)致地表沉降增大[11]，而且泥漿重度增大，也會使鉆進(jìn)速度減慢，易造成清空不徹底，產(chǎn)生過量沉渣[12]。所以泥漿重度的增加并不能對開槽長度起到良好的影響，也不能使下一槽段的施工時間提前。

(a) 已開槽槽段水平位移變化曲線

(b)地表沉降變化曲線圖6 不同泥漿重度時位移變化曲線

4 結(jié) 論

1)在邊坡平臺處進(jìn)行垂直阻隔成槽施工，當(dāng)旋挖成孔數(shù)量為3孔和5孔時，最大水平位移較小，分別為15.3 mm和21.3 mm，而當(dāng)旋挖成孔數(shù)量為7孔時，最大水平位移急劇增加，達(dá)到60.6 mm，即使有泥漿護(hù)壁，也存在塌孔危險。建議采用800 mm樁徑，縱橫搭接275 mm時，一次成孔數(shù)量為5孔。

2)當(dāng)開槽長度確定時，在不同齡期情況下開挖下一槽段，下一槽段開挖范圍內(nèi)水平位移的大小分布發(fā)生了較大變化。在齡期7 d或14 d時，水平位移大于3 mm的范圍占比較大，占總面積的1.5%，在齡期28 d時，水平位移大于3 mm的范圍占比較小，占總面積的0.6%。建議待澆筑完成28 d后，進(jìn)行下一槽段的施工。

3)泥漿重度的增加，一定程度上可以減小開挖槽段的水平位移，但相應(yīng)的，泥皮厚度也會增加，從而降低了側(cè)摩阻力，導(dǎo)致地表沉降增大，同時泥漿重度的增加，也會造成清空不徹底，產(chǎn)生過量沉渣。建議在前期鉆孔階段，泥漿重度可以保持在12～13 kN/m3，在后期清孔階段，盡可能控制在11～12 kN/m3。

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