河水上漲與極限法土條間作用力的關(guān)系研究

彭 堅(jiān)

(深圳市合冠建設(shè)工程有限公司，廣東 深圳 518101)

0 前 言

土質(zhì)河岸邊坡，由于修筑工序成熟，施工方法和技術(shù)較為完善，是許多地區(qū)進(jìn)行河流岸坡設(shè)計(jì)的首選類型，尤其在取土相對(duì)容易，土方價(jià)格合理的地區(qū)。詹良通等通過(guò)對(duì)某底部鋪設(shè)復(fù)合襯墊材料的衛(wèi)生填埋場(chǎng)地進(jìn)行降雨條件下的邊坡失穩(wěn)后反向分析，基于現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵變形參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析后，提出了針對(duì)該種基地材料，應(yīng)采用的控制堆積體降雨條件下破壞發(fā)生的措施[1-2]。李永亮等對(duì)強(qiáng)度折減法的三種失穩(wěn)判據(jù)在進(jìn)行有限元邊坡穩(wěn)定性研究的適用性進(jìn)行了探討，其依托一實(shí)際公路工程邊坡項(xiàng)目，采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行分析，得出各類邊坡應(yīng)采用的判據(jù)方案[3-4]。李滿意等對(duì)區(qū)別于一般土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的類土質(zhì)邊坡進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性研究，以重慶市洞堂灣類土質(zhì)邊坡的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件分析為基，進(jìn)而得出其破裂模式，后又通過(guò)平面滑動(dòng)法的理論分析得出了相吻合的破裂模式分析結(jié)果[5-6]。李邵軍等對(duì)由于三峽庫(kù)區(qū)水位頻繁升降變化的顯著特點(diǎn)而造成的大量滑坡災(zāi)害進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立與三峽典型滑坡相似的土質(zhì)邊坡試驗(yàn)離心模型，通過(guò)數(shù)字化監(jiān)測(cè)和攝影手段記錄滑坡發(fā)生發(fā)展過(guò)程及孔壓、位移變化，得出其破壞模式[7-8]。林鴻州等基于降雨條件下土質(zhì)邊坡試驗(yàn)結(jié)果，提出以時(shí)雨量和累積雨量作為判別土質(zhì)邊坡將要發(fā)生何種類型的邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的判據(jù)[9-10]。劉郴玲等采用數(shù)值分析方法，并將重力增加法應(yīng)用于紅石巖實(shí)例邊坡工程，通過(guò)引入界面單元對(duì)邊坡建模進(jìn)行連續(xù)-離散計(jì)算分析，認(rèn)為連續(xù)-離散方法對(duì)邊坡進(jìn)行失穩(wěn)變形分析有助于失穩(wěn)后的邊坡土體運(yùn)動(dòng)變化結(jié)果的呈現(xiàn)和觀察[11-12]。

以下對(duì)一河流岸坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析河流水位上漲時(shí)，邊坡土體間相互作用力變化情況，采用Geo-studio軟件進(jìn)行實(shí)體建模分析，討論河流水位上漲前后土體間正應(yīng)力和橫向應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)比分析汛期8m河流水位條件下和常態(tài)5m河流水位條件下的土間作用力和土與危險(xiǎn)滑動(dòng)面間作用力，總結(jié)河流水位上漲時(shí)主要對(duì)土中內(nèi)力產(chǎn)生什么影響。為我國(guó)華北平原地區(qū)河流岸坡的加固和失穩(wěn)預(yù)防提供了借鑒。

1 工程地質(zhì)

該河流岸坡屬于南水北調(diào)工程接入市政管網(wǎng)的咽喉河流，關(guān)乎市計(jì)民生，如圖1所示，該河流岸坡由兩層壓實(shí)土修筑，上層為黏土，下層為碎石土，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。該河流設(shè)計(jì)兩種季節(jié)控制水位，汛期6-9月份采用控制8m河流水位，其它月份采用控制5m河流水位。

圖1 土質(zhì)岸坡剖面圖

表1 各土層相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2 Geo-studio的極限平衡法

極限平衡法用于邊坡穩(wěn)定性分析被反復(fù)驗(yàn)證，Geo-studio軟件正是基于極限平衡方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果能夠很好呈現(xiàn)出失穩(wěn)土體內(nèi)部土條之間的作用力，且能夠進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算分析，將水位面波動(dòng)效應(yīng)耦合計(jì)算。

3 構(gòu)建岸坡模型

采用繪制草圖的方法繪制岸坡和水位線輪廓，之后通過(guò)設(shè)置區(qū)域?qū)镀聞澐殖蓛蓚€(gè)區(qū)域土體，通過(guò)輸入材料屬性，設(shè)置兩種不同的材料特征，之后賦予相應(yīng)的土層區(qū)域，再通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的邊界條件獲得不同的河流水位邊界，并對(duì)其它邊界條件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)好的河流岸坡模型如圖2所示。

圖2 河流邊坡模型

4 模擬結(jié)果

以下通過(guò)對(duì)不同河流水位條件下的計(jì)算結(jié)果中土體內(nèi)作用力的分析，得出河流水位上漲時(shí)，河岸邊坡土體內(nèi)作用力變化特點(diǎn)。

4.1 河流非汛期水位5m時(shí)

圖3所示是河流非汛期水位5m時(shí)，邊坡內(nèi)土條10的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量、基底正向作用力、基地切向作用力、條塊左側(cè)正向作用力、條塊左側(cè)側(cè)向作用力、條塊右側(cè)正向作用力、條塊右側(cè)側(cè)向作用力、基底抗剪應(yīng)力，相關(guān)參數(shù)具體值見(jiàn)表2。

圖3 非汛期水位5m時(shí)，條塊10的作用力

圖4所示是河流非汛期水位5m時(shí)，邊坡內(nèi)土條12的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量60.363 kN/m3、基底正向作用力50.885 kN、基地切向作用力21.758 kN，由此可見(jiàn)，條塊與基底間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，條塊左側(cè)正向作用力126.12kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力60.742kN、條塊右側(cè)正向作用力131.1kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力65.99kN，可見(jiàn)，條塊與條塊間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，基底抗剪應(yīng)力40.239kPa，具體各相關(guān)參數(shù)的值見(jiàn)表2。

圖4 非汛期水位5m時(shí)，條塊12的作用力

表2 各土條內(nèi)力值

續(xù)表2 各土條內(nèi)力值

4.2 河流汛期水位8m時(shí)

圖5所示是河流汛期水位8m時(shí)，邊坡內(nèi)土條10的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量69.485kN·m-3、基底正向作用力60.602 kN、基地切向作用力18.936kN，由此可見(jiàn)，條塊與基底間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時(shí)的條塊10的重量、基底正向作用力明顯增大，基底切向作用力變化幅度較小，條塊左側(cè)正向作用力153.45kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力47.085kN、條塊右側(cè)正向作用力167.78kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力54.721kN，可見(jiàn)，條塊與條塊間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時(shí)的條塊10的左、右側(cè)正向作用力明顯增大，左、右側(cè)切向作用力變化幅度較小，基底抗剪應(yīng)力27.41kPa，明顯小于非汛期水位5m時(shí)35.899kPa。

圖5 汛期水位8m時(shí)，條塊10的作用力

圖6所示是河流汛期水位8m時(shí)，邊坡內(nèi)土條12的內(nèi)作用力，圖中所示，主要有重量71.373kN·(m3)-1、基底正向作用力63.666 kN、基地切向作用力18.362kN，由此可見(jiàn)，條塊與基底間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時(shí)的條塊12的重量、基底正向作用力明顯增大，基底切向作用力變化幅度較小，條塊左側(cè)正向作用力180.59kN、條塊左側(cè)側(cè)向作用力61.725kN、條塊右側(cè)正向作用力191.64kN、條塊右側(cè)側(cè)向作用力67.767kN，可見(jiàn)，條塊與條塊間正向作用力遠(yuǎn)大于切向摩阻力，且相較于非汛期水位5m時(shí)的條塊12的左、右側(cè)正向作用力明顯增大，左、右側(cè)切向作用力變化幅度較小，基底抗剪應(yīng)力27.77kPa，明顯小于非汛期水位5m時(shí)40.239kPa。

圖6 汛期水位8m時(shí)，條塊12的作用力

5 結(jié) 論

1)河流汛期水位升高時(shí)，條塊重量及條塊與基底間作用力相較于非汛期時(shí)的條塊重量、基底正向作用力明顯增大，而基底切向作用力變化幅度較小。

2)條塊與條塊間正向作用力在河流水位向上波動(dòng)時(shí)，相較于非汛期水位5m時(shí)的條間正向作用力明顯增大，而條塊與條塊間切向作用力變化幅度較小。

3)隨著汛期到來(lái)，河流岸坡的基底抗剪應(yīng)力會(huì)顯著減小，建議加強(qiáng)河流水位監(jiān)測(cè)。