活木樁樁位及樁長對岸坡穩(wěn)定性的影響

郝由之，趙進(jìn)勇，路 明，彭文啟，王 琦

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100036)

隨著人類對天然河道的改造和干預(yù)，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞并逐漸退化，如傳統(tǒng)的河岸邊坡常采用漿砌石和混凝土護(hù)岸，這種方式對岸坡穩(wěn)固效果很好，但是完全阻隔了水陸生態(tài)系統(tǒng)的交流。為了緩減對河流生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，進(jìn)行河流生態(tài)修復(fù)勢在必行。其中生態(tài)護(hù)岸技術(shù)中的活木樁固岸就可以較好地克服上述剛性護(hù)岸的不足，所以對于不穩(wěn)定的岸坡可插入帶有活性的圓木進(jìn)行加固[1-2]。一般采用的圓木長約0.5～1.0 m，直徑約50～60 mm[3]，在河岸邊坡布樁后，圓木底部會(huì)入嵌在岸坡體滑動(dòng)面以下的穩(wěn)固地層中，通過抗衡滑體的下滑力，從而達(dá)到穩(wěn)固岸坡的效果。布設(shè)的圓木在根系發(fā)育前，其作用類似于抗滑樁；隨著活性圓木的生長發(fā)育，根系與土體構(gòu)成根土復(fù)合體，在起到加筋作用的同時(shí)，還能修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)和美化沿岸生境。

岸坡穩(wěn)定性的大小在很大程度上受抗滑樁位置及長度的影響：Ito、hassiotis等認(rèn)為抗滑樁設(shè)在坡體中上部位時(shí)更有利于坡體的整體穩(wěn)定性[4-5]；Lee 等認(rèn)為抗滑樁設(shè)在坡頂或者坡腳處更有利于提高岸坡的整體穩(wěn)定性[6]，Cai、年延凱等發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)在坡面中部時(shí)岸坡能夠獲得較大的整體穩(wěn)定性[7-8]；戴自航等通認(rèn)為坡腳的抗滑樁對于岸坡安全系數(shù)提高效果更加明顯[9]。綜上所述，岸坡土體性質(zhì)、活木樁樁位、樁長等特征參數(shù)對岸坡整體穩(wěn)定性的影響尚需系統(tǒng)深入的研究。

1 有限元強(qiáng)度折減法原理

從當(dāng)前來看，在工程計(jì)算和科學(xué)研究等領(lǐng)域中有兩大類方法可用于計(jì)算岸坡穩(wěn)定性：一種是極限平衡法，包括瑞典條分法、簡化畢肖普法、簡布法和不平衡推力傳遞法等；另一種是數(shù)值分析法[10]。其中應(yīng)用最多的當(dāng)屬極限平衡法，但是采用傳統(tǒng)的極限平衡方法也有一定的缺點(diǎn)，因?yàn)樵谟?jì)算岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)做了過多的假設(shè)及簡化處理，所以在分析計(jì)算含有活木樁岸坡的安全系數(shù)和潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面時(shí)，采用這種計(jì)算方法不夠合理。而基于強(qiáng)度折減法的有限元數(shù)值模擬方法不需要事先假定滑裂面的位置，而且計(jì)算結(jié)果比較貼近真實(shí)滑裂面。因此，本文將利用有限元強(qiáng)度折減法對活木樁生態(tài)型護(hù)岸的固岸效果進(jìn)行模擬分析。

強(qiáng)度折減法這一概念由來已久，早在20世紀(jì)70年代就被Zienkiewicz等人提出，隨后其又引出了抗減強(qiáng)度折減系數(shù)(Shear Strength Reduction Factor)[11]。強(qiáng)度折減系數(shù)在數(shù)值上等于岸坡土體本身所能提供的抵抗外界荷載作用時(shí)的最大抗剪強(qiáng)度與實(shí)際外荷載作用于岸坡時(shí)為使岸坡維持平衡所需要的實(shí)際剪應(yīng)力的比值。當(dāng)外荷載作用于土體的實(shí)際剪應(yīng)力與土體所能發(fā)揮的抵抗外部荷載的抗減強(qiáng)度相等時(shí)，認(rèn)為岸坡處于極限平衡狀態(tài)[12-13]。在岸坡內(nèi)所有土體抗減強(qiáng)度發(fā)揮程度相同的情況下，抗減強(qiáng)度折減系數(shù)就無異于傳統(tǒng)意義上的岸坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)，而且它們在數(shù)值上也是相等的，即Fr=Fs。強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算表達(dá)式為：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中c——土體所能提供的黏聚力，kPa；φ——土體本身的內(nèi)摩擦角，(°)；cm——維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的黏聚力，kPa；φm——維持平衡所需要的或土體實(shí)際發(fā)揮的內(nèi)摩擦角，(°)；Fr——強(qiáng)度折減系數(shù)。

在計(jì)算時(shí)先為強(qiáng)度折減系數(shù)假定幾個(gè)不同的數(shù)值，然后分別將通過折減系數(shù)折減后的土體強(qiáng)度參數(shù)代入模型中進(jìn)行分析，看計(jì)算結(jié)果是否收斂。在模擬過程中可以不斷增加強(qiáng)度折減系數(shù)，那么當(dāng)達(dá)到臨界破壞時(shí)，強(qiáng)度折減系數(shù)在數(shù)值上就等于岸坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)[14]。

判斷岸坡是否達(dá)到失穩(wěn)破壞的評價(jià)依據(jù)主要有以下3種[15-17]。

a) 以數(shù)值計(jì)算收斂與否來判斷岸坡是否會(huì)失穩(wěn)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不收斂時(shí)，表明土體所能發(fā)揮的最大應(yīng)力小于外荷載對土體施壓產(chǎn)生的應(yīng)變，此種情況下土體會(huì)發(fā)生破壞。

b) 觀察岸坡體的塑性區(qū)域，看坡體內(nèi)是否形成連續(xù)的貫通區(qū)，若塑性區(qū)出現(xiàn)貫通的情況，則認(rèn)為土體失穩(wěn)破壞。

c) 選取特征點(diǎn)，觀察特征點(diǎn)的位移變化，以特征部位的位移出現(xiàn)突變作為失穩(wěn)依據(jù)，在安全系數(shù)與位移相關(guān)曲線拐點(diǎn)處，可認(rèn)為土體達(dá)到破壞。

經(jīng)研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算坡體上特征點(diǎn)出現(xiàn)位移突變時(shí)的安全系數(shù)與不收斂時(shí)的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)相差不大[18]，因而本文以模擬計(jì)算得到的特征點(diǎn)處位移突變時(shí)的安全系數(shù)值作為岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

2 樁-土復(fù)合體離散化模型的選取

扦插活木樁進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸后的岸坡穩(wěn)定性分析是個(gè)十分復(fù)雜的工程問題，該問題涉及到土體自身特性、活木樁樁體相關(guān)參數(shù)以及樁體與土體間相互作用等因素。該問題采用有限元數(shù)值模擬的關(guān)鍵之處在于如何對樁-土復(fù)合體進(jìn)行合理的離散。當(dāng)前該種類型的有限元模式分析計(jì)算大致有4種方法，包括考慮復(fù)合體概念的復(fù)合模量簡化模型法、接觸單元模型法、外荷載模型法及分離式模型法。

活木樁扦插于岸坡體后，使得土體中的應(yīng)力產(chǎn)生一定的變化，且應(yīng)力改變將使土體變?yōu)榉蔷|(zhì)體，所以不宜采用復(fù)合模量的簡化模型法。接觸單元模型法考慮因素較為全面，但接觸單元的應(yīng)力會(huì)隨著木樁與土體的應(yīng)力應(yīng)變而變化，模擬難度較大。第3種方法將木樁視作外荷載，但目前此外荷載沒有準(zhǔn)確的測定方法，實(shí)行比較困難。若利用分離式模型法，模擬過程中木樁與土體可以分別采取各自的參數(shù)，考慮到樁體成活后隨著生長年限的增加強(qiáng)度逐漸增大，在模擬時(shí)就可以單獨(dú)改變木樁強(qiáng)度參數(shù)；關(guān)于樁土間要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相嵌和牽引，只需在樁土間相互作用模擬時(shí)采用嵌入式約束即可，方法簡便且模擬合理，所以本次模擬采用分離式離散法。

3 有限元數(shù)值模擬分析過程

岸坡土體材料參數(shù)決定坡體潛在滑動(dòng)面的位置，性質(zhì)不同的土體其滑動(dòng)面位置會(huì)有差異，為分析活木樁對滑動(dòng)面位置不同的岸坡穩(wěn)定性影響，本文選用2種地區(qū)的不同性質(zhì)土體岸坡進(jìn)行布樁模擬。假設(shè)岸坡處于灘地以上，不考慮水位對岸坡穩(wěn)定性的影響?；钅緲度?.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m 6種長度。假定坡體為均質(zhì)土坡，活木樁分別設(shè)置在Lx/L= 0、1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8、1處。岸坡模型尺寸及活木樁布置見圖1。

分析計(jì)算中，土體模型選用理想的彈塑性模型，摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)土體受力后的塑性發(fā)展情況，因此采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型來描述土體特性[19-20]?；钅緲稙閺椥圆牧希?dāng)岸坡土體受到剪切變形時(shí)，扦插于岸坡的活木樁會(huì)相應(yīng)地受到拉力和剪力，而桁架單元可以同時(shí)承受拉力和剪力的作用，所以為了符合活木樁的實(shí)際受力情況，在模擬中活木樁單元類型采用桁架單元。土體與木樁間相互作用采用ABAQUS軟件中的嵌入約束來模擬，將活木樁作為嵌入?yún)^(qū)域嵌入到周圍土體中去，樁土之間應(yīng)力便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的傳遞，能夠較好地模擬局部變形[21]。在強(qiáng)度折減時(shí)對岸坡土體參數(shù)進(jìn)行了單獨(dú)折減。對應(yīng)土體及活木樁參數(shù)見表1。對于計(jì)算模型的邊界條件：岸坡兩側(cè)采用水平約束土體，并施加自重荷載，岸坡下邊緣施加水平約束和豎向約束。

表1 土體及活木樁參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 穩(wěn)定安全系數(shù)

在坡比為1∶1兩種不同性質(zhì)土體的不同位置，分別布設(shè)0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m 6種長度的活木樁，其坡體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2、3。

a) 在第1種土體中，長度為0.5、0.6、0.7 m的活木樁布設(shè)在坡體Lx/L=1/4、3/8位置時(shí)安全系數(shù)有所減小，其他位置均有所增加，但0.5 m長的活木樁安全系數(shù)增加不明顯；長度為0.8、0.9、1.0 m的活木樁在岸坡坡體Lx/L=1/4位置時(shí)安全系數(shù)有所減小，其他位置都是增大的，但在Lx/L=0、1/8位置時(shí)增加不明顯。在Lx/L=1/4、3/8這些位置布設(shè)會(huì)導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小，其原因在于，樁體的布設(shè)改變了坡體原來的滑動(dòng)面，并形成了新的不穩(wěn)定的滑動(dòng)面，造成了安全系數(shù)的減小，所以工程應(yīng)用中應(yīng)避免布設(shè)在此類坡體中下部。

活木樁布設(shè)于坡體Lx/L=1/4及以下位置，安全系數(shù)不隨樁長的變化而變化，在坡體Lx/L=3/8及以上部位時(shí)安全系數(shù)隨樁長的增加而增加。原因在于岸坡坡腳處滑動(dòng)面較淺，較短的樁長即可延伸至潛在滑動(dòng)面，而坡體中部及以上坡體滑動(dòng)面相對較深，故岸坡穩(wěn)定性會(huì)隨著樁長的增加而增加。

b) 在第2種土體中，長度為0.5、0.6、0.7 m的活木樁布設(shè)于岸坡坡體Lx/L=5/8、1位置時(shí)安全系數(shù)有所增加，但在Lx/L=1位置增加不明顯；長度為0.8、0.9、1.0 m活木樁在Lx/L=1/4位置安全系數(shù)有所減小，在其他位置都是增大的。因此，同第1種土體岸坡，活木樁布設(shè)在Lx/L=1/4位置時(shí)，將使岸坡產(chǎn)生更為不穩(wěn)定的滑動(dòng)面，整體穩(wěn)定性下降。

與第1種土體不同，長度為0.5、0.6、0.7 m的活木樁除布設(shè)于岸坡坡體個(gè)別位置外，安全系數(shù)均有所減小，表明岸坡滑動(dòng)面較深，當(dāng)活木樁樁長較短時(shí)，其樁底難以延伸至岸坡潛在滑動(dòng)面，不僅起不到抗滑作用，甚至形成了新的不穩(wěn)定滑體，降低岸坡整體穩(wěn)定性；長度為0.8、0.9、1.0 m的活木樁，同第1種土體，活木樁布設(shè)于坡體Lx/L=1/4及以下位置時(shí)安全系數(shù)不隨樁長的變化而變化，在坡體Lx/L=3/8及以上部位時(shí)安全系數(shù)隨樁長的增加而增加。

4.2 滑動(dòng)面

通過有限元模擬可視化結(jié)果的PEMAG塑性應(yīng)變圖可以很直觀地看到坡體發(fā)生潛在滑動(dòng)的滑動(dòng)面位置。以第2種性質(zhì)的土體岸坡為例，觀察分析不同樁位和樁長對坡體滑動(dòng)面的影響。

a) 同一長度活木樁布設(shè)于岸坡不同位置時(shí)的塑性應(yīng)變。以布設(shè)1.0 m長活木樁為例，根據(jù)圖4可知活木樁布設(shè)于不同位置(Lx/L= 0、1/4、1/2、3/4、1)對于坡體滑動(dòng)面有著不同的影響。在坡體中下部布設(shè)時(shí)，滑動(dòng)帶的滑出口向上擴(kuò)展，在Lx/L=1/4位置時(shí)可以明顯看到滑動(dòng)面在活木樁頂端有貫穿趨勢，容易導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。其原因在于，原岸坡體滑出口在坡腳處，在坡腳以上附近區(qū)域布設(shè)活木樁后，樁體的嵌入會(huì)使原滑出口被樁體封堵。因此，坡腳處滑動(dòng)面勢必會(huì)發(fā)生局部性改變。樁體以下坡體由于樁體承擔(dān)了上部滑塊的下滑力，相對于原狀岸坡更穩(wěn)定，所以滑動(dòng)面會(huì)向樁體頂部延伸，滑出口也由坡腳移至樁體頂部，此時(shí)，滑體深度變淺，導(dǎo)致岸坡淺層穩(wěn)定性有所降低。在中上部及坡頂布設(shè)時(shí)，樁體以上滑體體積減小，下滑力隨之減小，滑動(dòng)面向坡體深層移動(dòng)，滑動(dòng)帶長度也隨之增加，同時(shí)滑體抗滑力增大，可有效提高岸坡的整體穩(wěn)定性。

b) 岸坡同一位置布設(shè)不同長度活木樁時(shí)的塑性應(yīng)變。在坡體中部布設(shè)0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m 6種長度的活木樁后岸坡的塑性應(yīng)變見圖5?？梢钥闯觯S著活木樁長度的增加，樁體底端逐漸延伸至坡體滑動(dòng)面，通過樁體的抗剪能力增加滑體的抗滑力，使得滑動(dòng)面有所下移。當(dāng)樁長增加到一定長度后，活木樁進(jìn)而通過分割滑體的方式，間接減小了上部滑體的下滑力，同時(shí)使滑動(dòng)面的貫通被阻隔，增加了岸坡的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

a) 受岸坡潛在滑動(dòng)面深度的影響，活木樁布設(shè)在不同性質(zhì)的土體中，其布設(shè)位置及長度對岸坡穩(wěn)定的影響有所不同。滑動(dòng)面較淺，樁體較長時(shí)，樁體可延伸至滑動(dòng)面，布設(shè)于坡體中部以上抗滑效果較好；滑動(dòng)面較深，樁體較短時(shí)，樁體難以延伸至滑動(dòng)面，布設(shè)于坡體Lx/L=5/8位置時(shí)抗滑效果較好。

b) 分析結(jié)果表明，活木樁布設(shè)在Lx/L=1/4、3/8位置時(shí)，安全系數(shù)減小，不利于岸坡穩(wěn)定。因此，在工程應(yīng)用中盡量避免在這些位置布設(shè)活木樁。