庫水位上升對岸坡建筑樁基的穩(wěn)定性影響分析

陽 波 王子健 周 鵬 武黎明 張佳寧 張 鑫 羅文宇

（1、重慶科技學院，重慶401331 2、重慶工商職業(yè)學院，重慶400052）

隨著我國庫區(qū)城市經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及建設用地的不足，越來越多的庫岸邊坡被用作建設用地，而庫水位的變化會使岸坡地基的應力狀態(tài)及水動力狀態(tài)發(fā)生改變，輕則導致建筑物的結構產(chǎn)生變形、開裂，重則導致房屋因地基失穩(wěn)而垮塌。目前有許多學者已在庫水對岸坡穩(wěn)定性影響方面進行了研究，但涉及岸坡上部建筑物的研究還非常少。劉文月[1-2]對金沙江某岸坡公路進行了有限元分析，研究了路基與庫區(qū)的距離以及庫水位升降速度對路基變形的影響；吳鐵營[3]以麗寧公路麗江古城至寧范開元橋段改擴建工程為研究對象，通過有限元軟件分析了庫水升降速度對庫岸橋梁基礎的水位位移及沉降值的影響；楊背背[4]基于地質資料和監(jiān)測資料，歸納總結了庫區(qū)水位變化對岸坡穩(wěn)定性及變形的影響。梁學戰(zhàn)[5]通過試驗與數(shù)值模擬相結合對三峽庫區(qū)典型岸坡的失穩(wěn)機制進行了研究；王學武[6]對庫水升降時的岸坡滲流場變化進行分析，研究了庫水對岸坡的影響規(guī)律。

1 原理

岸坡土體分為兩個部分，分別為浸潤線以下的飽和土、浸潤線以上的非飽和土，受庫水升降影響，邊坡表面的孔壓會發(fā)生改變，進而使土體吸水或者失水，導致非飽和土與飽和土的相對狀態(tài)發(fā)生轉變，而這種轉變的本質是土體的滲流作用。岸坡滲流包括飽和滲流與非飽和滲流，二者均服從達西定律[7]。

式中k 為滲透系數(shù)，i 為水力坡度。在飽和滲流中，滲透系數(shù)為定值；但對于非飽和滲流，滲透系數(shù)會發(fā)生變化。這是因為非飽和土中含有氣體，減小了孔隙水的流動空間，使?jié)B透系數(shù)減小，因此其滲透系數(shù)與飽和度有關，本文采用S.E. Cho[8]等人提出的關系式控制土的滲透系數(shù)與飽和度之間的函數(shù)關系。非飽和土不僅受到作用于土骨架上的土體凈應力作用，還受土體與孔隙水之間的基質吸力作用，因此在進行有限元分析時，應該同時考慮凈應力與基質吸力對土體應變的影響。本文采用基于摩爾庫倫準則的彈塑性本構模型，其中土體的應力狀態(tài)采用有效應力進行定義，如式（2）。

式中σ'為有效應力，σ 為凈應力，χ 為有效應力系數(shù)，在有限元分析中認為其等于飽和度，μw 為孔隙水壓，μa 為孔隙氣壓。

2 有限元模擬

2.1 模型概況

選取某庫區(qū)典型岸坡及其上部建筑為研究對象，其中邊坡底邊長140m，高度為50 米，邊坡示意圖如圖1，庫區(qū)最低水位為145m，最高水位為175m，庫水分別以1m/s 和0.5m/s 的速度從初始水位上升至最高水位。

圖1 邊坡示意圖

邊坡土體分為兩層，材料參數(shù)如表1 所示。建筑物位于邊坡頂部的平整場地，距離邊坡邊緣25m，建筑物為采用C30 混凝土的框架結構，材料參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)

2.2 模型計算及分析

根據(jù)上述條件建立二維飽和- 非飽和滲流模型，首先對初始水位時的模型進行穩(wěn)態(tài)分析，然后將計算得出的土體應力作為初始條件導入邊坡中，分別對庫水位上升速度為1m/d 和0.5m/d 上升的兩種工況進行瞬態(tài)分析，得到了岸坡滲流及上部建筑變形的規(guī)律。由圖2 可知，當庫區(qū)水位上升時，靠近庫區(qū)一側土體的浸潤線相對較高，這是因為庫水位上升后，庫水逐漸向坡體內滲流，但土體的滲流阻力導致坡體內的地下水位不能及時響應庫水位的上升。且?guī)靺^(qū)水位上升速度越快，滲流阻力的影響越明顯，浸潤線左右兩端的差值越大。

圖2 庫水以不同速度上升至最高水位時的浸潤線

庫水位上升過程中，岸坡的應力狀態(tài)也會產(chǎn)生較大變化，這是因為庫水位以下的坡面會受到庫水壓力的作用，而隨著土體飽和度改變，其土體與孔隙水之間的基質吸力也會發(fā)生改變，此外滲流作用還會產(chǎn)生滲流力。在庫水上升過程中，岸坡豎向應力最大處逐漸上移，不同庫水位時邊坡的應力變化如圖3、4 所示。

圖3 庫水位155 時的豎向應力

圖4 庫水上升至最高水位時的豎向應力

提取岸坡建筑左、中、右三根樁底部的沉降值，繪制曲線如圖5、6 所示，沉降值均為正值，因此樁基發(fā)生的是隆起。分析圖5、圖6 可知，靠近庫區(qū)的樁基沉降值相對較大。從圖中還可以看出，水位上升速度越快，在同一時刻其隆起值越大，即樁基變形量與庫水上升速度成正相關。此外，對比圖5、圖6 可以發(fā)現(xiàn)庫水上升速度越快，樁基之間的沉降差值越大。

圖5 1m/s 上升時樁基沉降

圖6 0.5m/s 上升時樁基沉降

3 結論

以某庫區(qū)某典型岸坡及其上部建筑為研究對象，基于飽和、非飽和滲流原理，采用有限元軟件對整體模型進行了流固耦合分析，得出以下結論：

（1）庫區(qū)水位上升速度越快，岸坡內浸潤線左右兩端的差值越大；

（2）庫水位上升會導致建筑物發(fā)生隆起，且隆起值與水位上升速度成正相關；

（3）岸坡建筑距離庫區(qū)越近，則受庫水升降的影響越大。