孫旭亮，劉曉強，于學(xué)付，楊立功

(1.中國電建集團港航建設(shè)有限公司，天津 300467；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，天津 300456)

近年來，全球范圍內(nèi)滑坡、崩塌、泥石流等坡體失穩(wěn)災(zāi)害頻發(fā)，每年都會造成很大的經(jīng)濟損失。而邊坡失穩(wěn)區(qū)域多以土質(zhì)邊坡為主，這些邊坡在各種外界因素作用下會出現(xiàn)一定程度的變形甚至破壞。在邊坡失穩(wěn)過程中，其內(nèi)部巖土體的原始應(yīng)力狀態(tài)將隨著穩(wěn)定過程的形成而發(fā)生應(yīng)力重分布。邊坡的巖土體在各種應(yīng)力狀態(tài)下將產(chǎn)生一定的位移與形變，即會發(fā)生不同程度的變形，致使邊坡日漸穩(wěn)定。邊坡穩(wěn)定性分析是土力學(xué)的三大經(jīng)典問題之一，也是巖土工程中的重要課題，邊坡穩(wěn)定性分析的方法種類繁多，大體包括極限平衡法、極限分析法、滑移線法和有限元法等，各種分析方法都有各自的特點和優(yōu)缺點。隨著計算機軟件和非線性彈塑性有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元法理論體系更為嚴密地用于巖土邊坡穩(wěn)定性分析，它全面滿足靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力-應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系。有限元法計算邊坡安全系數(shù)主要有兩種方法：第一種是滑面應(yīng)力分析法；第二種為強度折減法。強度折減法的起源是以數(shù)值分析理論為基礎(chǔ)，發(fā)展至今也取得了較好的應(yīng)用效果。Zienkiewicz最先提出強度折減概念[1]；Manzari 和Nour[2]使用有限元強度折減法研究了土體的剪漲性在邊坡狀態(tài)變化過程中的作用；Cai與Ugai[3]采用強度折減法分析了降雨情況下邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢。國內(nèi)方面，張坤勇、陳國慶、夏偉等[4-7]，著重從模型的改進入手，用有限元強度折減法對邊坡進行動態(tài)模擬,進而分析滑動面上典型位置單元應(yīng)力狀態(tài)變化規(guī)律,建立邊坡應(yīng)力狀態(tài)和邊坡整體穩(wěn)定性之間的關(guān)系，來判斷邊坡的穩(wěn)定性。羅凌暉等[8-11]更傾向于以土力學(xué)計算理論為基礎(chǔ)，選取典型邊坡地質(zhì)剖面建立有限元數(shù)值模型，進而模擬邊坡的多種破壞模式，來分析各個潛在滑動面的穩(wěn)定性計算，即可得到邊坡不同深度處的穩(wěn)定性系數(shù)。肖銳鏵、趙尚毅、王軍[12-14]等更傾向于針對不同的邊坡特點，選擇不同的分析模型，利用有限元強度折減法引入土坡安全系數(shù)的評價方法進行邊坡穩(wěn)定性分析。

隨著邊坡穩(wěn)定性研究經(jīng)驗的不斷積累，目前邊坡穩(wěn)定性分析中強度折減法已經(jīng)被普遍接受，現(xiàn)有的邊坡開挖模擬方法多針對于對邊坡開挖后穩(wěn)定性進行模擬，進而忽略了對開挖過程中邊坡穩(wěn)定性的模擬分析，本文結(jié)合工程實際情況，采用基于強度折減法的有限元模擬方法對孟加拉國帕德瑪河道整治工程邊坡分層開挖過程進行模擬，分析邊坡整個開挖過程的穩(wěn)定性。

1 工程概況及影響因素分析

1.1 工程概況

孟加拉國帕德瑪大橋河道整治工程，位于孟加拉國首都達卡以南約50 km 處的Mawa渡口附近，主要工程目的是通過對新建帕德瑪大橋上下游兩側(cè)的河道進行治理，以保護岸堤和大橋免受侵蝕。工程共需整治河道長13 km，其中北岸(Mawa側(cè))長1.5 km，南岸(Janjira側(cè))長11.5 km。主要施工內(nèi)容是河道疏浚和修筑護岸。帕德瑪大橋河道整治工程施工區(qū)域位于帕德瑪主橋上下游、帕德瑪河兩岸，擬整治岸坡為帕德瑪河道南側(cè)和北側(cè)，場區(qū)為河流沖積平原地貌，總體地勢平坦，地面標(biāo)高3.0～9.0 m。地表可見積水，地下水水位埋藏淺。河道邊坡土體主要由粉質(zhì)砂土為主，岸坡坡比為1：6，河道岸坡的典型斷面示意圖如圖1所示。

注：1.標(biāo)準(zhǔn)低水位：+1.2 m；2.標(biāo)準(zhǔn)高水位：+5.9 m；3.高程單位為m。圖1 河道岸坡典型斷面示意圖Fig.1 Typical section diagram of river slope

1.2 河道岸坡穩(wěn)定性影響因素分析

河道岸坡施工所在區(qū)域分布的填土、砂土密實度較差、非均質(zhì)，結(jié)構(gòu)松散，孔隙比大，岸坡穩(wěn)定性受滲流和波浪力的影響較大；由于工程需要，岸坡施工區(qū)域周邊存在交叉作業(yè)情況，因此需要考慮施工車輛和周邊工程的影響，具體主要影響因素分析如下：

(1)滲流力。

邊坡滲流的影響。邊坡滲流會使邊坡土體內(nèi)部附加一個滲流力，其大小為ρwgh，ρw為孔隙水密度，h為水頭高度。雨季降雨、河道水位上升過程中，雨水進入土體內(nèi)部，雨后及水位下降后，土體內(nèi)部水份需要較長時間滲出，滲出過程中在邊坡土體內(nèi)部產(chǎn)生滲流力，滲流對應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在滲透荷載上，本文對滲流力進行簡化處理，只考慮靜水壓力影響，具體如下

u=γh

(1)

式中：γ為水的容重，kN/m3；h為水頭高度，大小為岸坡土體內(nèi)自由水水位線與河道水面的距離，水頭高度按3 m考慮。

(2)車輛荷載。

施工現(xiàn)場土堤車輛荷載主要為施工機械、運土車輛等，滿載重量按40 t考慮，不同機械或車輛，輪胎或履帶與路面接觸面積不同，按不利情況考慮，荷載作用面積取0.4 m×0.5 m，按8條輪胎計算堤頂車輛輪壓荷載為40×10/1.6=250 kPa，取車輛荷載為附加恒定荷載。

(3)船行波波吸力。

施工區(qū)域河道船舶行駛過程中雖然距岸坡較遠，但依然有一定的波浪傳至岸坡，當(dāng)河道有船舶經(jīng)過時，岸坡波浪明顯加劇。船行波對岸坡的影響主要有三個方面：一是波浪行進過程中會交替循環(huán)產(chǎn)生波壓力與波吸力，這相當(dāng)于一個循環(huán)動荷載，其對邊坡的影響就是造成邊坡土體弱化甚至液化；二是波吸力作用于邊坡土體上時，相當(dāng)于對坡面土體產(chǎn)生一個拉力，拉力作用的結(jié)果是造成邊坡位移加大；三是船行波對岸坡的沖刷和滲流作用(本文暫不考慮)，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范SL435-2008》，斜坡體坡面波壓力分布如圖2 所示。圖中：l1=0.012 5la，l2=0.032 5la，l3=0.026 5la，l4=0.067 5la，la可由下式確定

(2)

式中：m為坡比；L為波長。作用在斜坡面上的波壓力按下式計算

(3)

(4)

按照《海港水文規(guī)范JTS145-2-2013》，直立結(jié)構(gòu)上波峰位置的波壓力與波谷位置的波吸力比值1.80～1.95，波高小、周期短時取小值。對于河道邊坡，船行波的波高、周期均較小，波吸力取P2/1.8。

圖2 波壓力沿斜坡分布模式Fig.2 Distribution pattern of wave pressure along slope

(4)振動加速度

根據(jù)EGS地震波測量數(shù)據(jù)顯示，打樁傳至河道疏浚施工點的振動加速度為0～0.03 m/s2，按不利情況考慮，取0.03 m/s2。

2 有限元模型

2.1 強度折減法原理

等比例強度折減法的概念思路是基于極限平衡方法中的強度儲備理論發(fā)展而來，它的分析過程是通過對土的抗剪參數(shù)(粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ)同時按同一比例系數(shù)F進行折減，從而得到新的一組抗剪參數(shù)，再將新的抗剪參數(shù)代入計算，根據(jù)計算結(jié)果再對抗剪參數(shù)進行折減，不斷試算，不斷調(diào)整F，直到使邊坡處于臨界平衡[15]。這時得到的F就定義為該邊坡的安全系數(shù)，這時取得的滑動面就是極限平衡面，也就是坡體結(jié)構(gòu)可能的失穩(wěn)面。

2.2 土體本構(gòu)模型及參數(shù)

對河道斷面上所有土體采用莫爾庫侖本構(gòu)模型，其破壞模型如圖3。莫爾庫侖破壞和強度準(zhǔn)則在巖土工程中的應(yīng)用十分廣泛，大量的巖土工程設(shè)計、計算都采用了莫爾庫侖強度準(zhǔn)則。該強度準(zhǔn)則的模型特點有：模擬服從經(jīng)典莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則的材料；允許材料各向同性硬性或軟化；采用光滑的塑性流動勢，流動勢在子午面上為雙曲線形狀，在偏應(yīng)力平面上為分段橢圓形；與線彈性模型結(jié)合使用；在巖土工程領(lǐng)域，可用來模擬單調(diào)荷載作用下材料的力學(xué)性狀。

圖3 莫爾庫侖破壞模型 圖4 π平面上屈服面形狀Fig.3 Failure model of Mohr-Coulomb Fig.4 Shape of yield surface in π plane

莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則假定：作用在某一點的剪應(yīng)力等于該點的抗剪強度時，該點發(fā)生破壞，剪切強度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。莫爾庫侖模型是基于材料破壞時應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓提出的，破壞線是與這些莫爾圓相切的直線，如圖4所示，π平面上其屈服形狀是六邊形，莫爾庫侖的強度準(zhǔn)則為

τ=c+σtanφ

(5)

式中：τ為剪切強度；σ為正應(yīng)力；c為材料的粘聚力；φ為材料的內(nèi)摩擦角。

2.3 模擬思路及有限元模型建立

根據(jù)河道斷面情況進行建模，將河道疏浚土層分為四層來模擬分層開挖施工，開挖前后模型如圖5和圖6。采用有限元強度折減法對邊坡進行有限元計算，分析河道岸坡在分層開挖過程中的整體穩(wěn)定性情況，河道深層地基土質(zhì)特點與第四層相同，土體重度為18 kN/m3、內(nèi)摩擦角為24°、泊松比為0.27、彈性模量為26 MPa，具體開挖工況如表1。

圖5 開挖前計算模型Fig.5 Calculation model before excavation圖6 開挖后計算模型Fig.6 Calculation model after excavation

表1 邊坡分層開挖工況Tab.1 Layered excavation of slope

2.4.1 坡頂沉降

圖7 給出了河道分層開挖過程中邊坡坡頂?shù)某两底兓€。邊坡開挖過程中，坡頂沉降距邊坡頂角處越近，沉降就越大；隨著邊坡開挖的不斷深入，坡頂沉降量呈增大趨勢，最大變形發(fā)生在進行第四層開挖時，最大沉降量約為10 mm，此時邊坡整體安全系數(shù)為1.6，邊坡整體穩(wěn)定。

2.4.2 坡面水平位移

邊坡開挖過程中邊坡坡面的水平位移變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯S著邊坡開挖過程的不斷深入，邊坡坡面開始逐漸暴露，邊坡土體荷載環(huán)境發(fā)生改變，導(dǎo)致邊坡坡面向開挖側(cè)的水平位移也逐漸增大，整個邊坡坡面在第四層開挖時，坡面整體水平位移最大，約為30 mm，最大位移發(fā)生在水面與坡面交界處。但此時邊坡整體安全系數(shù)為1.6，邊坡整體趨于穩(wěn)定。

圖7 邊坡開挖過程中坡頂沉降規(guī)律Fig.7 The settlement law of slope top in the process of slope excavation圖8 邊坡開挖過程中坡面水平位移變化規(guī)律Fig.8 The law of horizontal displacement of slope in the process of slope excavation

圖9 邊坡分層開挖過程中安全系數(shù)的變化規(guī)律Fig.9 The change rule of safety factor in the process of layered excavation of slope

2.4.3 岸坡整體穩(wěn)定性

采用強度折減法進行邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)求解，得到分層開挖時邊坡的安全系數(shù)，有限元模擬結(jié)果顯示，在分層開挖過程中邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)值分別為2.2、2.1、1.8、1.6，隨著邊坡開挖過程地不斷深入，邊坡的整體安全系數(shù)逐漸降低，但在邊坡開挖整個過程中，安全儲備系數(shù)大于1.1，這說明，邊坡整體保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用有限元模擬軟件建立了孟加拉國帕德瑪河道整治工程邊坡穩(wěn)定性模型，采用有限元強度折減法對邊坡開挖工程整個過程的穩(wěn)定性進行模擬分析，主要結(jié)論如下：

(1)有限元模擬結(jié)果顯示，采用分層開挖方法對邊坡整體穩(wěn)定性影響較小，坡頂最大沉降為10 mm，坡面最大水平位移為30 mm，邊坡開挖的最大位移均發(fā)生在第四層開挖結(jié)束后。

(2)基于有限元強度折減法進行邊坡安全系數(shù)的有限元分析結(jié)果顯示，邊坡在分層開挖過程中安全系數(shù)逐漸降低，在開挖完成時邊坡的安全系數(shù)值為1.6，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)本次有限元模擬并未涉及施工對土體強度的影響，邊坡開挖工程中施工設(shè)備對邊坡范圍內(nèi)的土體擾動不可避免，建議采用預(yù)留保護層、提供施工設(shè)備精度等措施來降低施工對邊坡穩(wěn)定性的影響。