箱式綠化混凝土擋墻穩(wěn)定及變形分析

甘 磊 龍一飛 沈振中 張宏偉

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京

210098)

城市河道以往僅注重行洪排澇功能，很大程度上忽略了河道作為自然景觀的存在，河道的硬化處理嚴(yán)重影響著河道中生物、微生物的生存，河道自凈能力遭到破壞，河道作為生態(tài)廊道的功能消失殆盡.2015年國務(wù)院辦公廳明確提出“加強(qiáng)對(duì)河湖等水體的保護(hù)和恢復(fù)，禁止河道硬化等破壞水生態(tài)環(huán)境的建設(shè)行為，要加強(qiáng)河道系統(tǒng)整治，實(shí)施生態(tài)修復(fù)，營造多樣性生物共存環(huán)境”.如何安全有效地解決河道功能與生態(tài)形式的矛盾問題迫在眉睫.綠化混凝土[1-3]一般由粗骨料、膠凝材料以及各種添加劑按比例混合而成，除了具備抵御河水對(duì)河岸的沖刷作用的能力，還具有高透水性，有優(yōu)越的生態(tài)功能.依據(jù)種類不同，綠化混凝土可分為敷設(shè)式、孔洞型以及隨機(jī)多孔型[4].箱式綠化混凝土擋墻采用合適粒徑碎石制成復(fù)合隨機(jī)多孔型混凝土，是一種防護(hù)、生態(tài)、自凈、景觀功能為一體的新式生態(tài)混凝土擋墻[5-6].近年來，由于工期短、造價(jià)底、透水性好、生態(tài)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，得到迅速推廣，但河道生態(tài)擋墻的穩(wěn)定計(jì)算相關(guān)成果較少[8].

南方某城市河道岸坡整治工程采用箱式綠化混凝土擋墻方案進(jìn)行了岸坡生態(tài)改造.本文基于該整治工程，采用剛體極限平衡法，考慮坡頂人群荷載與河內(nèi)水位，計(jì)算治理后河岸邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，分析治理后河岸邊坡的變形及箱式綠化混凝土擋墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況；從安全角度分析箱式綠化混凝土擋墻方案的合理性.

1 計(jì)算原理

滲流計(jì)算采用多孔介質(zhì)飽和-非飽和滲流理論[9].忽略毛細(xì)現(xiàn)象、非飽和部分和蒸發(fā)的影響，將滲流達(dá)西定律代入滲流連續(xù)性方程，按不可壓縮流體在不可壓縮多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定滲流基本微分方程求解.采用有自由面滲流問題的變分不等方程，求解區(qū)域包括滲流飽和區(qū)和非飽和區(qū).河岸邊坡滲流計(jì)算模型邊界分布如圖1所示.

圖1 邊坡滲流邊界條件示意圖

邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡法中的簡化畢肖普法[10].其安全系數(shù)計(jì)算公式為

式中，W為土條重量(g)；P為水壓力(N)；E和X為土條間相互作用的法向和切向力(Pa)；N和T為土條底部的總法向和總切向力(Pa)；u為孔隙水壓力(Pa)；b為土條厚度(m)；R為圓弧 半徑(m)；α為 土條底滑面與水平面的夾角(°)；β為邊坡與水平面的夾角(°)；e為水壓力作用點(diǎn)與滑弧圓心的豎直距離(m)；φ為堆石的內(nèi)摩擦角(°).

由于等式兩端均含有Fs，故需要迭代求解.經(jīng)過若干次迭代即可滿足精度要求.

假定各土體條底部滑動(dòng)面具有相同抗滑安全系數(shù)，該數(shù)值為整個(gè)滑動(dòng)面的平均安全系數(shù)，分析中考慮孔隙水壓力.河岸邊坡應(yīng)力變形計(jì)算采用GEOSIGMA 軟件進(jìn)行有限元計(jì)算.靜力有限元法支配方程為

式中，[K]為整體勁度矩陣，{R}是等效節(jié)點(diǎn)荷載列陣，{δ}為待求解節(jié)點(diǎn)位移列陣，由此可以計(jì)算得到各單元內(nèi)的位移和應(yīng)力.其中，[K]和{R}是由相應(yīng)的單元矩陣組裝而成的

式中，[x]為單元選擇矩陣；[D]為彈塑性矩陣；[B]為應(yīng)變矩陣.

邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型取邊坡?lián)鯄捌湎虏糠值鼗馏w，其模型位移邊界條件如下：左、右兩側(cè)地基邊界施加y向約束，地基底部邊界施加x、y兩向約束.

2 模型概況

2.1 計(jì)算模型

將治理后的河岸邊坡分為箱式生態(tài)混凝土砌塊、砌石擋墻、加筋土層、邊坡土層4個(gè)區(qū)域.治理后邊坡工程材料分區(qū)有限元網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格

計(jì)算域選取如下：坡頂水平向坡后方延伸約2倍邊坡高度；坡腳水平向坡外延伸約1倍邊坡高度，坡底向下延伸約1倍邊坡高度.模型坐標(biāo)系如下：取x軸指向坡內(nèi)側(cè)，y軸為垂直方向，向上為正.其中有限元節(jié)點(diǎn)8306個(gè)，單元8152個(gè).有限元計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力符號(hào)：壓為正，拉為負(fù).

2.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合工程實(shí)測參數(shù)及類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定各分區(qū)材料計(jì)算參數(shù)值，具體計(jì)算參數(shù)見表1，表中滲透參數(shù)是參照類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選定的，其他參數(shù)由設(shè)計(jì)單位提供.

表1 邊坡各材料參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

考慮到施工及河內(nèi)過水、坡頂人群荷載等情況，確定計(jì)算工況，具體見表2.邊坡穩(wěn)定及應(yīng)力變形計(jì)算的工況一致.其中6.9m 水深為設(shè)計(jì)水位.工況1至工況6分別為不同水位與人群荷載的不同組合的正常運(yùn)行下計(jì)算工況，偏保守考慮設(shè)定河內(nèi)水位由6.9m 驟降至0m 的工況7.人群荷載根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG-B01 2014)中關(guān)于該荷載的規(guī)定，取3.5kN/m2(即3.5kPa).

表2 計(jì)算工況表

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 滲流分析

滲流計(jì)算主要是為分析邊坡安全系數(shù)與應(yīng)力變形計(jì)算提供孔隙水壓力，河內(nèi)水深6.9m 時(shí)，治理后邊坡孔隙水壓力分布及浸潤線位置如圖3所示.

圖3 河內(nèi)水深6.9 m 時(shí)邊坡孔隙水壓力分布(kPa)

從圖3可知，當(dāng)河內(nèi)滿水時(shí)，河內(nèi)水向坡內(nèi)補(bǔ)給.同時(shí)，浸潤線在混凝土砌塊中下降較大，在坡內(nèi)變化較緩.

3.2 穩(wěn)定性分析

工況1至工況4及工況7邊坡安全系數(shù)計(jì)算值見表3.

表3 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

各工況邊坡均為深層滑動(dòng).河內(nèi)滿水時(shí)，浸潤線以下由天然容重變?yōu)楦∪葜?，重力產(chǎn)生的下滑力減小.同時(shí)，水由坡外側(cè)向坡內(nèi)側(cè)流動(dòng)，形成指向坡內(nèi)的滲流體積力.兩種因素導(dǎo)致蓄水時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有所提高.坡頂施加人群荷載后，其增大了邊坡下滑力，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)減小約0.9%～3.2%，但安全系數(shù)均大于1.3.工況7水位驟降情況下，安全系數(shù)較設(shè)計(jì)水位及無水工況下低，但仍然大于1.3，能夠保證邊坡的安全運(yùn)行.部分典型工況的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑弧位置圖如圖4所示.

圖4 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑弧位置圖

3.3 應(yīng)力變形分析

邊坡在人群荷載作用下的應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果見表4.河內(nèi)有水與無水情況，人群荷載引起的沉降水平位移規(guī)律一致，沉降最大值位移坡頂后方，最大沉降值均小于1.0mm；水平位移指向坡外側(cè)，位于邊坡1/3高處混凝土砌塊附近，最大水平位移值均小于0.2mm.工況6的邊坡位移分布如圖5所示.

表4 邊坡位移計(jì)算結(jié)果表

圖5 工況6邊坡位移分布圖(m)

砌石擋墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5，箱式綠化混凝土砌石擋墻存在一定應(yīng)力集中現(xiàn)象.砌石擋墻在河內(nèi)滿水時(shí)存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為60kPa；在河內(nèi)無水情況下砌石擋墻壓應(yīng)力最大值約為300kPa.工況6的砌石擋墻應(yīng)力分布圖如圖6所示.

表5 砌石擋墻應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖6 工況6砌石擋墻應(yīng)力分布圖(kPa)

由圖7可見混凝土砌塊也存在一定應(yīng)力集中現(xiàn)象，但混凝土砌塊在河內(nèi)滿水和無水時(shí)均存在拉應(yīng)力，其大小約為77kPa.工況5和工況6的混凝土砌塊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6.

圖7 工況6混凝土砌塊應(yīng)力分布圖(kPa)

表6 混凝土砌塊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié) 論

結(jié)合某治理后的高陡邊坡，考慮河內(nèi)水位及坡頂人群荷載對(duì)岸坡穩(wěn)定及應(yīng)力變形的影響，從安全角度論證箱式綠化混凝土擋墻治理方案的合理性.主要結(jié)論如下：

1)經(jīng)過箱式綠化混凝土擋墻邊坡治理后，河岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.30，且均為深層滑動(dòng).治理后的邊坡穩(wěn)定性仍能滿足整體穩(wěn)定要求.

2)砌石擋墻拉應(yīng)力最大值約為60kPa，混凝土砌塊的拉應(yīng)力最大值約為77kPa；邊坡沉降量與水平位移量均小于1mm，治理后邊坡整體變形不大，應(yīng)力也能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求.

3)綜合治理后邊坡的穩(wěn)定及應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果，表明治理后的邊坡是安全的，治理措施是合理的.