庫岸滑坡段護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和破壞模式分析

黎 丹

目前長江上游很多地區(qū)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(tái)結(jié)構(gòu)是目前這類地區(qū)較理想的結(jié)構(gòu),本文針對(duì)這些結(jié)構(gòu)的受力特性和庫岸的實(shí)際情況,以滲流—應(yīng)力場耦合理論為依據(jù),就滑坡段高大樁基承臺(tái)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的安全性展開討論,研究其穩(wěn)定性和破壞模式。

1 計(jì)算斷面、工況與參數(shù)

筆者主持設(shè)計(jì)的重慶市涪陵區(qū)長江、烏江匯合口段東岸堤防工程堤型為深樁基礎(chǔ)+扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)。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(hù)岸,坡面采用混凝土塊護(hù)坡;在高程174.00 m設(shè)置5 m寬平臺(tái),平臺(tái)至堤頂回填高程之間采用植草斜坡護(hù)岸,坡度為1∶2.0。

擋墻基礎(chǔ)考慮到處于滑坡地段,加之覆蓋層深,經(jīng)比較后采用群樁承臺(tái),樁徑1.8 m,樁體深入弱風(fēng)化基巖上部。

工況1:設(shè)計(jì)枯水位,擋墻外無水,擋墻內(nèi)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(shí)活荷載,土壓力;靜水壓力,揚(yáng)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(shí)活荷載,土壓力;靜水壓力,揚(yáng)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(shí)活荷載,土壓力;靜水壓力,揚(yáng)壓力,浪壓力。

工況4:滑坡推力。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算,本工程設(shè)計(jì)考慮兩種荷載效應(yīng)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(jì)算參數(shù):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(qiáng)度設(shè)計(jì)值12.5 N/mm2;軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.3 N/mm2。

回填料及地基參數(shù):填筑料(砂巖石渣料)計(jì)算參數(shù)為C=0 kPa,Φ=33°,設(shè)計(jì)干密度為 2.0 g/cm3。

2 有限元模型

根據(jù)實(shí)際工程需要,數(shù)值計(jì)算采用三維力學(xué)模型。數(shù)值分析選取的計(jì)算范圍如圖1所示。根據(jù)以上分析,建立如圖1所示的幾何模型,有限元分析的參數(shù)與地勘建議值相同。

計(jì)算時(shí)根據(jù)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(shí)高程166 m,位于岸坡底部,最高時(shí)為180 m,接近岸坡頂部。水位在60 d內(nèi)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(nèi)下降到166m高程,繼續(xù)保持到第150天,以模擬實(shí)際情況中岸坡在5個(gè)月內(nèi)的一次高低水位的變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 滑坡推力沿排樁的分配系數(shù)

對(duì)樁基和庫岸進(jìn)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(guī)律,將各種結(jié)果得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合加權(quán)平均(見表1)。

表1 各排樁剪應(yīng)力和壓應(yīng)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(nèi)側(cè)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(tái)連接,樁基頂部變形協(xié)調(diào),在填料顆粒均勻時(shí)各樁基承受的內(nèi)力基本相同,但當(dāng)滑動(dòng)面有較大孤石或者填料較大時(shí),可能導(dǎo)致滑坡推力不能向下傳遞,設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)當(dāng)注意避免此類情況發(fā)生。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

根據(jù)以上綜合分析,對(duì)方案設(shè)計(jì)的各種典型斷面進(jìn)行如圖2所示的力學(xué)分析,分析時(shí)取樁基底部自由,樁側(cè)根據(jù)進(jìn)入基巖的巖層特性選取3個(gè)方向不同的水平抗力系數(shù),樁徑和樁間距根據(jù)斷面實(shí)際情況選取,通過有限元和理論計(jì)算,選取合理的計(jì)算結(jié)構(gòu),得到主要截面的計(jì)算結(jié)果(見表2)。

從表2中可以看出,樁基前側(cè)基巖的水平抗力系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大,計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)樁基前巖石進(jìn)行校核,防止樁基由于承受較大滑坡推力而導(dǎo)致樁基前基巖的漸進(jìn)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(dǎo)致邊坡內(nèi)水的自重由土骨架來承擔(dān)。此時(shí)土體內(nèi)的孔隙水與庫外水相通,對(duì)照不同情況下的邊坡安全系數(shù)即發(fā)現(xiàn)不同水位時(shí)邊坡安全系數(shù)的變化顯著。用簡化Bishop法求得的此時(shí)情況下邊坡安全系數(shù)與水位緩慢下降情況下邊坡的安全系數(shù)可見,邊坡安全系數(shù)隨著水位的下降先小幅度變小,后大幅變小達(dá)到最小值;當(dāng)水位下降速率越大時(shí),相同庫水位對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)基本上越小,邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的水位越高,且安全系數(shù)最小值數(shù)值變小。由此可以看出:水位下降速率越大時(shí),邊坡越不穩(wěn)定,故工程實(shí)際中盡量避免水位快速下降現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 水位陡升對(duì)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(nèi),而導(dǎo)致庫水位高于坡體水位的情況。

計(jì)算不同水位變化落差D下,岸坡的安全系數(shù)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(shù)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(dāng)水位上升速率越大時(shí),相同庫水位對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)基本上越小,邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的水位越高,且安全系數(shù)最小值數(shù)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(wěn)定。為了使邊坡盡可能的保持穩(wěn)定,蓄水時(shí)先期速率可盡量大,到了一定程度后,即邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小值后,蓄水的速率又應(yīng)該盡量慢。至于水位多高時(shí)邊坡安全系數(shù)達(dá)到最小,應(yīng)針對(duì)具體的邊坡條件進(jìn)行分析。

4 結(jié)語

1)嵌入基巖的樁基對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響較大。

2)當(dāng)水位下降速率大時(shí),樁基滑坡庫岸的安全系數(shù)基本上較小,當(dāng)安全系數(shù)達(dá)到最小值時(shí),對(duì)應(yīng)的是中水位。且水位下降速率越大,邊坡越不穩(wěn)定,工程實(shí)際中盡量避免水位快速下降現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)水位上升速率越大時(shí),庫岸的安全系數(shù)也基本上越小,安全系數(shù)達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)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(wěn)定。

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