庫水位變化對抗滑樁內力變形特征的影響

楊 霞

(上饒市科信水利水電勘察設計咨詢有限公司，江西 上饒 334000)

庫區水位變化對庫岸邊坡的穩定性有著顯著影響。受水的軟化作用，水下坡體的物理力學性質將顯著降低，加之受降雨、水位驟變等水力條件和地震等外部因素影響時，坡體內部應力場、滲流場等分布發生改變，進而降低邊坡的穩定性?？够瑯妒菐彀哆吰轮卫淼闹饕问?，而抗滑樁治理后的邊坡同樣會受庫區水位變化的影響，從而影響抗滑樁對邊坡的加固效果。因此，研究水位變化對庫岸滑坡治理中抗滑樁的內力變形特征影響，對保障庫岸邊坡的穩定具有重要意義。本文將根據重慶某江岸消落區的邊坡抗滑樁治理工程，選取典型地質斷面作為研究對象，利用GTS NX數值計算軟件分析不同水位和不同安全儲備系數工況下邊坡的位移應變分布和抗滑樁的內力變形特征，對比分析不同工況下庫岸邊坡的穩定性。研究成果可為類似條件庫岸邊坡的治理提供參考。

1 工程概況

工程為重慶某縣城江岸消落區環境整治工程。由于庫岸多為土質和土巖混合坡，其抗沖蝕能力差，受江水漲落沖刷作用，岸坡易形成坍塌破壞，且在庫水位循環作用下，土體受軟化導致岸坡整體穩定性下降，進而引起岸坡整體滑移。S2剖面是該工程庫岸的典型地質剖面，采用“清方+埋入式抗滑樁”治理方案，示意圖如圖1所示。具體治理方案為：高程175、165、160m處分別設14.5、3、3.5m的平臺，反壓體采用鋼絲石籠網護面；185～175m護坡采用1∶2坡比的植物護坡，175～160m護坡采用1∶2.5坡比的植物護坡+格賓網加固。

圖1 S2斷面工程地質剖面圖

2 分析方案和數值計算模型

有限元法是一種可靠、合理方便的計算方法，能夠充分考慮樁-土的協同作用，可直接算出樁的內力狀態。因此，本文采用有限元強度折減法計算抗滑樁的內力，僅對樁后土體進行折減。

2.1 分析方案

針對“清方+埋入式抗滑樁”治理方案，為分析不同水位工況下和不同安全儲備系數條件下抗滑樁結構的內力特征，共設計了7種計算方案，具體見表1。其中，設計了4種水位工況，即工況1：自重+地表荷載+壩前175m水位；工況2：自重+地表荷載+壩前145m水位；工況3：自重+地表荷載+水位從175m降至145m；工況4：自重+地表荷載+水位從162m降至145m。計算方案1-4的主要目的是計算不同水位工況下的抗滑樁內力分布情況，計算方案1、5-7的主要目的是為了分析不同安全儲備系數對抗滑樁內力的影響。

表1 S2斷面有限元數值計算方案

2.2 有限元模型的建立

采用MIDAS-GTS NX軟件建立S2斷面的有限元計算模型，網格采用四邊形網格劃分，在模型建立時對一些弧線進行多段線進行簡化處理。有限元模型采用三維模型，抗滑樁采用1D梁單元進行模擬，計算模型如圖2所示?？够瑯吨睆饺?.5m，樁間距取7m。網格劃分時將基巖邊界尺寸控制為4～5m，而關鍵區域(覆蓋土層)的網格尺寸控制在1～2m。有限元計算中，材料參數根據地質勘察報告選取，具體見表2。根據不同工況的水位情況賦予巖土體材料不同的參數，水位線上采用天然容重、天然黏聚力、天然內摩擦角，水位線下采用浮容重，飽和黏聚力、飽和內摩擦角。

表2 巖土體和抗滑樁結構的計算參數

圖2 S2斷面的有限元數值計算模型

邊界條件為：模型底部約束x、y、z方向的位移，模型前后兩側、左右兩側分別約束z、x方向位移，重力方向為y。

計算步驟為：①地應力平衡；②樁基施工；③根據規范要求的安全儲備系數對巖土體參數樁后土體進行折減；④提交計算，提取樁的內力結果。

3 岸坡穩定性與抗滑樁受力變形模擬

3.1 水位工況對抗滑樁受力及邊坡穩定性的影響

3.1.1不同水位工況條件下抗滑樁支護后邊坡的滑動趨勢

為分析不同水位下抗滑樁支護后邊坡的滑動趨勢，提取了不同工況條件下邊坡的水平位移云圖和最大剪應力云圖，如圖3所示。

圖3 不同水位工況下邊坡的水平位移云圖和最大剪應變云圖

在175m水位時，潛在破壞面出現于邊坡中部，其水平位移較其它水位工況更大，最大水平位移達到了0.29m，且最大位移區分布范圍廣(占比達12.8%)，此時邊坡最大剪應變帶末端剛好位于抗滑樁頂部，表明該工況下邊坡將呈現滑體越頂破壞，主要原因是庫區水滲入邊坡巖土體內部，對巖土體產生浮托作用[16]，降低了巖土體的抗滑能力，使邊坡表面的潛在滑體產生水平位移，而175m高水位時庫水對坡體抗滑能力的影響更大，產生了更大的水平位移；此外，由于邊坡中部高程為175m，則175m水位工況時庫水將對該區域坡體物理力學性質產生較大影響，降低其抗滑能力，致使潛在破壞面出現于邊坡中部。

對145m水位、175m降至145m水位和162m降至145m水位工況，其水平位移帶和最大剪應變帶均出現在邊坡上部，最大水平位移均小于0.062m，分布范圍不到邊坡面積的2.5%，說明此3種水位工況下邊坡的潛在破壞面會出現于邊坡上部，但后2種變水位工況下，邊坡變形量較145m恒水位工況更大。主要原因為低水位工況和高水位降至低水位工況時，與175m高水位相比，庫水對坡體產生的浮托作用更小，但高水位降至低水位時坡體內部地下水位降低會滯后于庫水位變化，該變水位工況下坡體抗滑能力較145m恒水位工況降低更顯著。此外，由于該3種水位與邊坡相對應的高程為坡體下部，對抗滑樁上部坡體抗滑能力影響較小，加之坡體上部坡度更大，故此3種水位工況時潛在破壞面會出現在邊坡上部。

3.1.2不同水位工況條件下抗滑樁內力及變形分布

提取出不同水位工況下邊坡抗滑樁的軸力、剪力、彎矩以及水平位移值，繪制出抗滑樁內力和變形隨樁長的分布曲線，如圖4所示。由數值計算結果發現，4種水位工況下，抗滑樁的軸力分布基本一致，差別不大。剪力隨樁長的分布趨勢也基本一致，在樁長8m處驟然達到最大，175m水位和145m水位工況下抗滑樁剪力分別最大和最小，分別為7478kN和4136kN，而2種變水位工況最大剪力差別不大，位于高低恒水位工況之間(如圖4(a)所示)。4種水位工況下抗滑樁彎矩分布形式基本一致，最大彎矩從大到小的工況為：175m水位、162m降145m水位、175m降至145m水位、145m水位，最大彎矩為22300kN·m(如圖4(b)所示)。對水平位移而言，在樁長小于8m時，4種水位工況下抗滑樁水平位移幾乎均為零，主要原因是小于8m樁長部分位于坡體潛在滑面以下，坡體穩定，其變形較小，則傳遞給抗滑樁的推力??；隨后水平位移值隨樁長逐漸增加，其增加程度從大到小的工況為：175m水位、175m降至145m水位、162m降145m水位、145m水位，最大水平位移不超過6mm。

圖4 不同水位工況下邊坡抗滑樁的剪力、彎矩和水平位移分布

可以看出，抗滑樁的受力及變形規律主要受邊坡變形的影響，當坡體變形位移大時，坡體施加在抗滑樁上的推力則更大，從而導致抗滑樁更大的剪力、彎矩和發生更大的位移。

3.2 安全儲備系數對抗滑樁受力及邊坡穩定性的影響

3.2.1不同安全儲備系數下抗滑樁支護后邊坡的滑動趨勢

本節針對同一種工況條件(即175m高水位工況)，對抗滑樁上部土體強度進行折減，安全系數分別取1.25、1.20、1.15和1.10，模擬計算獲取邊坡的滑動趨勢。從不同安全儲備系數下邊坡的水平位移云圖和最大剪應變云圖可以看出(如圖5所示)，當安全系數為1.25時，邊坡潛在破壞面出現于邊坡中部，剪應變末端出現于樁頂部。降低安全系數時，如安全系數為1.20時，邊坡水平位移主要發生在中部，但邊坡上部也形成了變形稍低的水平位移帶，邊坡最大剪應變也呈現出類似分布規律，表明此工況下邊坡潛在破壞面有2條，即邊坡中部和邊坡上部，且均沿基巖面發生破壞。安全系數為1.15、1.10時，其情況與安全系數為1.20時類似，但最大水平位移隨安全系數的降低呈指數型降低(如圖6所示)，4種工況下依次為0.29、0.063、0.035、0.017m。主要原因是計算時所采用的安全系數越大，對坡體抗剪強度的折減程度就越大，在175m高水位工況時，邊坡中部及以下坡體均在庫水位以下，由于庫水對坡體的浮托作用，折減程度越大時土體受浮托力影響更顯著，致使邊坡中部較大范圍坡體發生了較大程度的變形，而低折減程度的坡體受庫水浮托作用影響更小，抗滑樁上部坡體的變形范圍和變形程度均更小，并逐漸傳遞給坡度更大的上部坡體。

圖5 不同安全儲備系數下邊坡的水平位移云圖和最大剪應變云圖

圖6 邊坡最大水平位移與安全儲備系數的關系曲線

3.2.2不同安全儲備系數下抗滑樁內力及變形分布

不同安全儲備系數情況下邊坡抗滑樁剪力、彎矩及水平位移隨樁長的變化曲線如圖7所示。與不同水位工況下抗滑樁受力變形機制相同，抗滑樁所受內力及其變形均由其上部坡體的推力導致，故坡體發生更大程度的變形時，施加在抗滑樁上的力也就越大。具體規律為：隨著邊坡安全系數的增加，抗滑樁最大剪力逐漸增加，最大剪力從1143kN增加至7478kN(圖7(a))；抗滑樁最大彎矩值也隨安全系數的提高而增加，最大彎矩值從3487kN·m增加至22300kN·m(圖7(b))。對抗滑樁的變形而言，隨安全系數的增加，抗滑樁最大水平位移逐漸增加，最大變形為5.88mm，小變形為0.88mm。此外，抗滑樁最大剪力和最大彎矩出現在同一樁長處，在8m左右，而抗滑樁水平位移在樁長小于8m時幾乎為零，隨后才逐漸增長，在樁頂達到最大位移。

圖7 不同安全儲備系數下抗滑樁的剪力、彎矩和水平位移分布

4 結論

本文基于GTS NX有限元計算方法，模擬了不同水位和安全儲備系數下邊坡的位移應變分布和抗滑樁內力變形特征，得出以下結論：

(1)坡體抗滑力在高水位時降低顯著，邊坡變形區域廣、變形程度大，潛在破壞面出現在邊坡中部；低水位和高水位降至低水位時，坡體變形轉移至邊坡上部?？够瑯秲攘ψ冃纬潭葟拇蟮叫椋焊咚?、高水位降至低水平、低水位，抗滑樁最大剪力和彎矩出現在滑面處。

(3)邊坡最大水平位移隨安全系數的降低呈指數型降低，抗滑樁剪力、彎矩和水平位移均隨安全系數的增加而逐漸增大。

論文成果對類似工程岸坡穩定性評價和抗滑樁設計具有一定借鑒意義，但未考慮地震、降雨等對邊坡的影響，后續將綜合考慮地震等因素對邊坡穩定性的影響。