開挖擾動及回淤作用下水下邊坡穩(wěn)定性研究

孟慶祥　隋洪瑞 李巖

摘要：水下基槽浚挖施工中，開挖擾動以及水底回淤現(xiàn)象會改變土體的天然應力場，使土體抗剪強度產(chǎn)生衰減，此時邊坡穩(wěn)定性計算仍采用原始的土參數(shù)并不合理。針對天津濱海新區(qū)中央大道海河沉管隧道工程，對水下邊坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析，采用強度折減法對土參數(shù)進行適當折減，模擬水下基槽開挖和回淤作用對土體的擾動。分析表明：開挖擾動及回淤作用對邊坡穩(wěn)定影響顯著，尤其在坡腳等易出現(xiàn)應力集中的位置，土體強度損失非常明顯。

關(guān)鍵詞： 水下邊坡 開挖擾動 回淤 穩(wěn)定性分析

研究背景

沉管隧道工程中，水下基槽浚挖施工不可避免地會改變周邊土體的天然應力場，開挖擾動會使土的密實度變小、孔隙率增大，使土體抗剪強度產(chǎn)生衰減，因此采用原始土參數(shù)進行計算并不合理。根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗，開挖后邊坡表層附近土體抗剪強度損失可達10%以上。如果同時考慮邊坡表層回淤的淤泥質(zhì)土的影響，強度損失則更為顯著。但目前國內(nèi)外在開挖擾動和回淤對水下邊坡的穩(wěn)定性影響方面并不多見。

中央大道海河隧道工程是天津市濱海區(qū)中央大道穿越海河的重要節(jié)點工程，位于天津市濱海新區(qū)于家堡中心商務區(qū)和東西沽地區(qū)，是溝通濱海新區(qū)中心商業(yè)區(qū)海河南北兩岸的重要通道。路線全長4.3km，其中穿越海河255m采用沉管法施工工藝。穿越土層主要為淤泥質(zhì)土，局部為力學性質(zhì)較差的粉質(zhì)粘土、粘土夾層。為了保證水下浚挖施工安全，有必要考慮開挖擾動和回淤的影響。

計算模型的建立

本文應用有限差分軟件FLAC3D進行了水下邊坡穩(wěn)定性分析，在計算中土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。參照國內(nèi)外研究經(jīng)驗，一般不考慮水下邊坡土體的滲流問題，所以材料類型采用不排水材料，并選用平面應變模型。根據(jù)工程實際情況，選取了最不利的斷面，利用對稱原理，以基槽中心為邊界取一側(cè)邊坡進行建模，尺寸為135×30m。模型將土層化簡為四層，見圖1，并采用加權(quán)平均后的土參數(shù)進行計算。

圖1 水下基槽模型

國內(nèi)外很多學者研究認為：對于土質(zhì)邊坡，開挖擾動對土體的內(nèi)摩擦角φ值有影響，而土體粘聚力c值幾乎不變。內(nèi)摩擦角是土粒間相對運動時摩擦作用的綜合反映，開挖擾動使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致土顆粒位置變化及土顆粒之間的膠結(jié)物錯動，從而使內(nèi)摩擦角降低。因此，本文對土參數(shù)進行適當折減，以模擬土體擾動，并借鑒強度折減法的基本原理，對土參數(shù)（即tanφ）進行了折減，折減后的φ`值為：

φ`=arctan（tanφ/K） （1）

K為抗剪強度折減系數(shù)，本文中分別取值1.05、1.075和1.1，并施加回淤荷載，進行邊坡的穩(wěn)定性分析。模擬基槽開挖完成后邊坡的豎向、水平位移及應力分布等情況。

計算結(jié)果分析

開挖擾動/回淤后的水下邊坡的部分數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。

（a）

（b）

（c）

圖2 三種折減系數(shù)下邊坡豎向位移（左）和最大變形速率（右）分布（a：K=1.05； b：K=1.075； c：K=1.1）

計算結(jié)果分析表明：開挖擾動對水下邊坡的穩(wěn)定性影響顯著。一方面，土體強度損失會造成基槽的豎向和水平位移顯著增加；另一方面，回淤現(xiàn)象會使基槽豎向荷載有所增加。在兩者的共同影響下，邊坡的穩(wěn)定性大大降低，尤其在坡腳位置和坡度變化位置的土體變形速率顯著增大。同時，安全系數(shù)隨K的增大而逐漸減小，甚至可能接近或達到安全警戒值1.3。

現(xiàn)場試驗開挖槽的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明：開挖后很長時間邊坡一直處于較大變形狀態(tài)，直至3個月之后才逐漸穩(wěn)定。同時，水下回淤作用也使邊坡變形進一步增大，雖然在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果仍能滿足穩(wěn)定性要求，但開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略。邊坡發(fā)生破壞時，塑性區(qū)從坡腳向坡頂方向延伸，意味著邊坡的破壞從坡腳開始，因此在水下基槽開挖時要特別注意坡腳的穩(wěn)定性。

現(xiàn)場試驗開挖槽的監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明：開挖后很長時間邊坡一直處于較大變形狀態(tài)，直至3個月之后才逐漸穩(wěn)定。同時，水下回淤作用也使邊坡變形進一步增大，雖然在考慮開挖擾動對土體的影響后，邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果仍能滿足穩(wěn)定性要求，但開挖擾動對邊坡安全性的影響不可忽略。邊坡發(fā)生破壞時，塑性區(qū)從坡腳向坡頂方向延伸，意味著邊坡的破壞從坡腳開始，因此在水下基槽開挖時要特別注意坡腳的穩(wěn)定性。

結(jié)論

通過數(shù)值計算，本文認為水下基槽浚挖施工中，開挖擾動和回淤對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。為保證基槽邊坡開挖能夠滿足邊坡設計需要，施工工藝應采用分區(qū)、分層的方式，基槽邊坡施工采用階梯開挖法，在第一區(qū)浚挖后及時測量，根據(jù)測量結(jié)果，調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化施工方案。在基槽開挖前應建立控制網(wǎng)，通過測量放線來確定基槽開挖范圍。基槽開挖過程中，做好監(jiān)控，定期測量基槽的深度、寬度和邊坡坡率。密切關(guān)注基槽各位置（尤其是坡腳）是否出現(xiàn)滑動、塌方或回淤等情況，如果出現(xiàn)上述情況，應及時采取必要的應對處理措施。

參考文獻

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