某河道邊坡抗滑樁加固前后安全性分析

馬 杰，高 健，劉 聰

(1.南京河西工程項目管理有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京市水利規劃設計院，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

某河道承擔著該地區防洪行洪重要功能，也是城市引水調水改善水環境質量的重要通道。為保障該區域行洪安全、改善水質、優化引排體系、提升濱水環境，需對該河道進行綜合整治。河道長約9.3km，左岸主要是拆除擋墻及硬質護坡，對局部堤段擬進行抗滑處理。右岸堤頂高程不足，對局部堤段擬設置防洪墻，防洪墻采用鋼筋混凝土灌注樁進行地基處理[1]。河道堤頂設計高程11.62～11.39m，河底高程5.0～3.5m。堤頂設計寬度不小于6m，條件受阻且后方有臨近市政道路可借用為防汛道路時，設計寬度不小于3m。

為了確保河道治理過程中河道邊坡安全，治理前對邊坡安全性進行分析。已有文獻通過數值模擬對邊坡安全系數進行分析[2]，也有文獻通過傳統邊坡穩定性計算方法進行邊坡安全評估[3- 4]。本文將2種方法相結合，通過三維有限元數值模型和理正巖土計算軟件，計算發現局部河堤自然邊坡安全系數較低，若采用抗滑樁對邊坡進行加固，抗滑樁尺寸有待確定。

2 地質參數

本文取最危險斷面進行研究，該斷面地層分布如圖1所示。根據現場勘察、室內土工試驗、原位測試結果，勘察范圍內自然沉積土層自上而下劃分為6層11亞層[5]，具體如下：

①素填土。

②粉質黏土：廣泛分布。黃褐色-灰色，可塑-軟塑，壓縮性中等，局部高壓縮性，局部夾粉土薄層，含少量鐵錳結核，偶見螺殼。厚度0.60～8.70m，頂板埋深0.50～6.30m。

圖1 原始邊坡安全系數

③淤泥質粉質黏土：場地內普遍分布。灰色，灰黑色，流塑，高壓縮性。土質不甚均勻，含少量腐殖質，具層理，局部呈千層餅狀，夾粉土、粉砂薄層，該層與③1粉質黏土(軟塑-流塑)呈互層狀出現或交錯相變。部分鉆孔未揭穿，厚度1.00～19.50m，頂板埋深0.50～31.60m。

③1粉質黏土(軟塑-流塑)：廣泛分布。灰色-灰黑色，軟塑-流塑，中-高壓縮性，局部呈千層餅狀，夾粉土、粉砂薄層，該層與③淤泥質粉質黏土呈互層狀出現或交錯相變。部分鉆孔未揭穿，厚度0.90～25.00m，頂板埋深0.60～31.60m。

③2粉土：局部分布。灰-青灰色，松散-稍密，局部中密，飽和。夾薄層粉砂，呈透鏡體狀或夾層狀分布于③淤泥質粉質黏土、③1粉質黏土(軟塑-流塑)中。部分鉆孔未揭穿，厚度0.80～4.10m，頂板埋深0.60～24.30m。

④粉質黏土：局部分布。灰褐色-黃褐色，局部灰黑色，可塑，局部硬塑，中等壓縮性，土質較均勻，切面較光滑，韌性及干強度中等，含少量鐵錳結核。部分鉆孔未揭穿，厚度1.70～10.20m，頂板埋深15.70～31.50m。

④1粉土：局部分布。深灰色，中密，飽和。夾薄層粉砂及粘性土。部分鉆孔未揭穿，厚度1.00～7.80m，頂板埋深29.80～36.50m。

④2粉、細砂：局部分布。灰色，青灰色，中密-密實，飽和，成分以石英、長石為主，含云母碎片，具水平狀沉積層理，夾薄層稍密狀粉土，層厚一般1～2cm，分布不均勻，局部富集。搖振反應迅速。該層局部未揭穿，厚度2.80～11.10m，頂板埋深26.40～36.90m。

④3中粗砂混礫石：局部分布。灰色，密實，成分以中粗砂為主，含少量礫砂，混少量礫石，礫石粒徑2～20mm，局部10～30mm。該層局部未揭穿，厚度1.80～9.30m，頂板埋深18.50～43.90m。

⑥強-中等風化粉砂質泥巖：場地內局部揭露。棕紅色，泥質結構，層狀構造，巖石結構部分破壞，巖石節理裂隙較發育，遇水軟化，手掰易斷，風干后易崩解，巖芯呈短柱狀，少量碎塊狀，巖芯采取率80%。屬極軟巖，較完整，巖體基本質量等級為Ⅴ級。該層未揭穿，最大可見厚度5.40m，頂板埋深20.40～48.80m。

⑦中等風化泥質砂巖：僅NH12A孔揭露。棕紅色，砂質結構，層狀構造，遇水易軟化，風干后易崩解，泥質膠結，膠結程度較差，巖石結構部分破壞，巖芯呈柱狀，少量碎塊狀，巖芯采取率90%。屬極軟巖，較完整，巖體基本質量等級為Ⅴ級。該層未揭穿，最大揭露厚度4.40m，頂板埋深7.60m。

3 數值模型及參數

場地加固前，通過三維有限元軟件對擬采用的加固方案進行驗證，計算使用達索SIMULIA公司開發的ABAQUS有限元軟件[6]。模型左側水位在壩頂以下1.0m深度處，右側假設水位為6.9m標高處，河道蓄水(水壓力)作用于6.9m以下坡面和河道底部，施工期荷載形式為作用在壩頂30kPa的均布荷載(消防車通過)。土層采用摩爾-庫侖本構模型，土層簡化為4層，以壩頂為0點，0～5.6m為填土，5.6～7.7m為粉質黏土，7.7～35.0m為淤泥質粉質黏土，35.0～40.0m為細砂層，左、右側地下水位高度不同，水位以上采用天然重度，水位以下土層采用浮重度。具體計算參數見表1。

表1 數值模型計算參數

4 結果分析

4.1 原始邊坡安全性分析

圖2為采用強度折減法計算得到的強度折減系數和堤壩頂某點變形隨計算步(虛擬時間)的變化曲線，以計算收斂點作為邊坡安全系數判定準則，邊坡安全系數為1.25；以變形陡降點為邊坡安全系數判定準則時，邊坡安全系數為1.15。

圖2 原始邊坡安全系數

圖3給出了變形云圖與邊坡塑性應變云圖(PEMAG)，考慮蓄水影響和施工期荷載(壩頂為30kPa均布荷載)。從圖3中可知，坡腳變形最大。塑性區云圖顯示，塑性區從坡腳延伸到堤壩左岸，潛在滑動面底面深度約為壩頂以下24m。

圖3 邊坡沉降云圖與塑性應變云圖

此工況下，通過理正巖土軟件，采用圓弧滑動法驗算了邊坡的安全系數為1.25時的潛在滑移面位置。根據土層分布，計算分為6個區域。水面線起始點坐標為(18.000，2.600)，條分法的土條寬度為0.5m，搜索時的圓心步長0.5m，搜索時的半徑步長為0.1m。計算結果如圖4所示，計算總的下滑力為2145.383kN，總的抗滑力為2711.286kN。滑動圓心坐標為(28.500，8.000)，滑動半徑約為26.4m，滑移面底部距離壩頂深度約為25.6m，與數值計算的滑動面深度(24m)相近。

綜上所述，原始場地在水位和施工荷載的共同作用下，滿足設計安全系數1.25時潛在滑動面深度約為壩頂以下25m處。

圖4 圓弧滑動方法計算詳情及結果

4.2 抗滑樁加固分析

結合上述2種計算結果，發現滿足設計安全系數1.25時潛在滑動面深度約在壩頂以下約25m處，在壩頂以下4.5m處的坡面打抗滑樁，抗滑樁樁頂距離潛在滑動面的距離約為21m，擬打穿潛在滑動面5m來抵抗邊坡滑動，預計樁長為26m。基于此，建立了三維有限元數值模型。樁身模量為30GPa，由于樁頂沒有豎向荷載，樁土接觸參數根據Randolph和Wroth的經驗計算公式確定[7]。

圖5為計算得到的強度折減系數和堤壩某點變形隨計算步(虛擬時間)的變化曲線，以沉降陡降點作為邊坡破壞的判定準則時，此時邊坡安全系數約為1.40；當以計算收斂點作為邊坡安全系數判定準則時，邊坡安全系數約為1.50。

圖6給出了打樁后沉降云圖與邊坡塑性應變云圖(PEMAG)。從圖6可知，邊坡變形從陡降變為緩降，破壞模式發生變化，左側變形得到有效控制。塑性區云圖顯示，抗滑樁的存在有效減小了左側塑性區的范圍，潛在滑動面較原始邊坡有下移趨勢，但沒有貫通樁端，滑移面的下移也代表著安全系數的提高。

圖5 打樁后某點變形與FV1隨計算時間的變化

圖6 打樁后邊坡沉降云圖與塑性應變云圖

同理，采用圓弧滑動法計算打樁后邊坡的最危險滑動面及安全情況。水面線起始點坐標為(0.000，2.600)，條分法的土條寬度為1.0m，搜索時的圓心步長1.0m，搜索時的半徑步長為0.5m。計算結果如圖7所示，滑動圓心坐標為(28.514，12.448)，滑動半徑約為18.3m。計算總的下滑力為1188.839kN，總的抗滑力為1724.674kN，計算滑動安全系數約為1.45，和三維有限元計算結果基本吻合。由于搜索滑動面為最危險滑動面，因此滑動面較原始邊坡安全系數1.25時明顯提高。

5 結語

文章依托某河道邊坡治理工程，對該工程的地質情況進行介紹，通過ABAQUS三維有限元數值模型和理正巖土軟件，計算得出原始河道邊坡安全系數較低的結論。而后，已知安全系數1.25，通過設置邊坡抗滑樁反演計算，進一步通過ABAQUS三維有限元數值模型和理正巖土軟件計算得到抗滑樁加固后的邊坡安全，驗證了邊坡加固方式的合理性和可行性，為相似工程安全性評估提供參考。如可得到后續施工過程的實測數據，可進一步補充驗證計算方法。

圖7 打樁后圓弧滑動法計算結果