佛山大堤五星段岸坡穩(wěn)定分析

潘少云

(廣東粵水電勘測設(shè)計(jì)有限公司,廣東 佛山 528000)

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佛山大堤五星段岸坡穩(wěn)定分析

潘少云

(廣東粵水電勘測設(shè)計(jì)有限公司,廣東 佛山 528000)

結(jié)合堤段實(shí)際現(xiàn)狀、堆載情況以及岸坡結(jié)構(gòu)形式,分析3種假設(shè)岸坡的荷載情況,建立相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行岸坡穩(wěn)定分析并作評價(jià)。①管樁承載能力小于堆載,則管樁不能承載的部分荷載作為坡頂外荷載考慮；②管樁的承載能力大于堆載,骨料倉底板承載力小于堆載,底板破壞,樁基礎(chǔ)承載能力降低,部分荷載作用于堤頂；③管樁的承載能力大于堆載,骨料倉底板承載力大于堆載,可以看作骨料倉荷載直接作用于基巖,不用作用于土層,不作為坡頂?shù)耐夂奢d考慮。經(jīng)計(jì)算,本工程屬于第②種情況,針對情況②建模分析結(jié)果顯示,該段岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求,存在塌岸的危險(xiǎn)。

岸坡穩(wěn)定；豎向承載力;佛山大堤

佛山大堤位于北江中下游,干堤長為40.92 km。是佛山市禪城區(qū)及南海區(qū)的唯一防洪屏障,直接捍衛(wèi)人口84.5萬,工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為1 000多億元,也是廣東省內(nèi)主要交通設(shè)施的保護(hù)屏障。

佛山大堤五星段工廠企業(yè)眾多,岸坡形式參差不齊,存在一定安全隱患。約在樁號(hào)佛山大堤7+800樁號(hào)附近120 m范圍內(nèi),堤頂?shù)缆分袛?岸坡為直立式鋼筋砼擋墻岸坡,坡頂高程約8.25 m(珠基),作為骨料倉堆放砂石。本段河道局部挖深,擋墻底板下面岸坡坍塌嚴(yán)重,已形成臨空面。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告,本場地位于南海區(qū)獅山鎮(zhèn)小塘五星村,外江為北江,堤屬佛山大堤。地貌屬珠江三角洲平原腹地之丘陵地帶,地形開闊平坦,佛山大堤堤路面高程約為9.45～9.65 m,迎水坡堤腳高程約為4.35～5.15 m?？傮w河道水下地形較平緩,局部岸坡位置水下地形挖深,坡度較陡,泥土沖刷流失,水下河床與擋墻底板形成3.5 m左右的高差。

1 骨料倉基礎(chǔ)安全復(fù)核

1.1 單樁承載力計(jì)算

骨料堆放場的面積為2 272 m2,底板為400 mm厚鋼筋砼板,基礎(chǔ)為Φ400@3 000管樁(見圖1、圖2),樁端到達(dá)風(fēng)化巖層,平均樁長約為15 m。骨料場以300 mm厚隔墻分為5個(gè)骨料倉,隔墻高4.5 m,后墻高1.8 m,骨料最高堆放高度為6 m,容重18 kN/m3,地面堆載108 kN/m2,底板自重10 kN/m2,計(jì)算單樁最大荷載為1 062 kN。

圖1 樁基布置示意(單位：mm)

圖2 樁基大樣示意(單位：mm)

1.2 單樁豎向極限承載力

根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)資料,選取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算管樁單樁豎向極限承載力：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中Qsk,Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值,查表得,強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖的qpk為6 000～9 000 kPa；li為第i層土厚度；Ap為樁端面積。

表1 樁的極限側(cè)限阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik

qs1k值折中選取26 kPa,qs2k值折中選取17 kPa,qs3k值折中選取200 kPa,qpk值選取9 000 kPa,代入式(1),計(jì)算得Quk=2 198 kN(見表1)。

單樁豎向承載力特征值：

Ra=(1/K)Quk=1 099 kN

單樁豎向承載力特征值1 099 kN>每根樁需要承擔(dān)的荷載為1 062 kN,骨料倉的荷載全部由管樁承擔(dān)。

1.3 底板的沖切承載力計(jì)算

KNe≤0.7μβhftumh0

(2)

式中K為承載力安全系數(shù)；Ne為局部荷載設(shè)計(jì)值或集中反力設(shè)計(jì)值；h0為截面有效高度；βh為截面高度影響系數(shù),h≤800,βh取1；um為臨界截面周長，距離局部荷載或及中反力作用面積周邊h0/2處板垂直截面的最不利周長；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,C25砼的ft值為1.27 MPa；μ為局部荷載或集中反力作用面系改裝影響系數(shù),μ=0.4+(1.2/βs=1)。βs為局部荷載或集中反力作用面為矩形時(shí)長邊與短邊邊長之比,βs不宜大于4；當(dāng)βs<2時(shí),取βs=12；當(dāng)作用面為圓形時(shí),βs=2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算,0.7μβhftumh0=732.76kN；KNe=1 399.68 kN>0.7μβhftumh0

底板設(shè)計(jì)厚度不滿足沖切承載要求,底板可能發(fā)生沖切破壞。

1.4 骨料倉底板承載力復(fù)核

根據(jù)底板結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)布置,對底板進(jìn)行承載力復(fù)核。把底板簡化成多個(gè)3 m×3 m四邊自由的矩形雙向板模型,受堆料均布荷載受力條件下進(jìn)行計(jì)算(見圖3)。

圖3 底板受力計(jì)算模型(單位：mm)

表2 《新編水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》[5]附錄六附表6-1

M=表2中系數(shù)×ql2

(3)

式中q為均布荷載；l為計(jì)算跨度,取雙向板短邊長度。

根據(jù)式(3)計(jì)算,作用在骨料倉底板的最大荷載位置為堆料6 m高,作用在底板的單位面積堆料荷載標(biāo)準(zhǔn)值為108 kN/m。底板自重為恒載,堆料荷載為活載,分項(xiàng)系數(shù)為1.20。根據(jù)式(3),底板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 雙向板彎相應(yīng)位置內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m2

由表3計(jì)算結(jié)果可知,最危險(xiǎn)界面彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為142.01 kN·m2,其中堆料荷載為活荷載,自重荷載為恒載,故最危險(xiǎn)截面彎矩設(shè)計(jì)值M=142.01×1.2=170.41 kN·m2。根據(jù)已知骨料倉底板設(shè)計(jì)資料,底板厚400 mm,板底板面均配B16@200鋼筋,受拉鋼筋的面積為1 005 mm2/m。底板根據(jù)混凝土構(gòu)件截面承載力復(fù)核公式計(jì)算：

ε=fyAs/fcbh0

(4)

αs=ε(1-0.5ε)

(5)

(6)

式中Mu為截面極限彎矩設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 N/mm2；b為矩形截面寬度(取1 m)；h0為截面有效高度；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 N/mm2；As為受拉鋼筋截面面積；K為承載力安全系數(shù)(取1.2)。

底板正截面受彎承載力不滿足要求,在使用過程中極有可能遭到拉裂破壞。

由以上計(jì)算可知,本段岸坡荷載情況符合摘要中的第二種假設(shè),故按照管樁的承載能力大于堆載,骨料倉底板承載力小于堆載,底板破壞,樁基礎(chǔ)承載能力降低,部分荷載作用于堤頂條件建立岸坡穩(wěn)定分析模型。

2 岸坡整體穩(wěn)定分析

骨料倉堤段總長約100m,其中上游25m為骨料裝卸碼頭段,下游75m為骨料堆放倉段；根據(jù)地質(zhì)勘測斷面情況,上游段與下游段斷面變化較為明顯,其中上游段ZK1～ZK2斷面有5個(gè)土層,從上至下分別為填筑土層,淤泥質(zhì)粉砂層,淤泥質(zhì)土層,強(qiáng)風(fēng)化層,中風(fēng)化層,土層分布比較均勻；下游斷面土層分布不均勻,其中ZK3位置(大堤側(cè))從上至下分別為填筑土層,淤泥質(zhì)土層,強(qiáng)風(fēng)化層,中風(fēng)化層,共4個(gè)土層,而ZK4位置(北江側(cè))只有強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層。結(jié)合地形現(xiàn)狀和地質(zhì)變化狀況,分碼頭剖面(斷面1),骨料倉剖面(斷面2)2個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算(具體位置見圖4)。

圖4 計(jì)算斷面位置示意

根據(jù)本工程現(xiàn)狀實(shí)際情況及運(yùn)行管理狀況,確定本次復(fù)核穩(wěn)定計(jì)算工況。

① 斷面1(如圖5)

工況1：坡頂僅考慮骨料倉底板自重及碼頭上骨料傳輸設(shè)備重量工況；

工況2：骨料倉底板破壞后,骨料倉50%盒子作用在坡頂工況；

工況3：坡頂僅考慮骨料倉自重,低水位且地震工況。

② 斷面2(如圖6)

工況1：坡頂僅考慮骨料倉底板自重工況；

工況2：骨料倉底板破壞后,骨料倉50%盒子作用在坡頂工況；

工況3：坡頂僅考慮骨料倉自重,低水位且地震工況。

圖5 斷面1(單位：高程m，尺寸mm)

圖6 斷面2(單位：mm)

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

2.1.1 土工參數(shù)

本次復(fù)核參考地質(zhì)報(bào)告中各土層物理力學(xué)指標(biāo)的建議值以及土工測試報(bào)告中的實(shí)測值,結(jié)合現(xiàn)狀穩(wěn)定狀況,綜合推算本次計(jì)算指標(biāo)如表4所示。

表4 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)一覽

2.1.2 水文參數(shù)

由于本報(bào)告計(jì)算迎水坡的穩(wěn)定,其不利狀況是外江低水位是穩(wěn)定狀況,選取外江常遇水位1.00m。

2.1.3 計(jì)算方法

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379—2007)[4]規(guī)定,采用瑞典圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

計(jì)算采用中國水利水電科學(xué)研究院編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析STAB—2009》軟件進(jìn)行。

2.1.4 有關(guān)說明

骨料堆放場沿堤軸線方向長79m,垂直堤軸線方向?qū)?0m。骨料倉基礎(chǔ)采用Φ400@3 000×3 000管樁基礎(chǔ)。岸坡形式由原來的土坡填土改造成直立式鋼筋砼擋墻岸坡,堤線外移約20m,內(nèi)部填土與原堤頂齊平,擋墻基礎(chǔ)為Φ800@5 000×4 000鉆孔樁。上游段碼頭基礎(chǔ)采用Φ800@5 000×3 000鉆孔樁,樁與樁直接用梁連接,外側(cè)為懸臂立板,其上主要荷載為骨料傳輸機(jī)械的自重,約8t。上游段河道局部挖深,擋墻底板下面岸坡坍塌嚴(yán)重,已形成臨空面。

由表5計(jì)算結(jié)果可知斷面1的總體穩(wěn)定在正?，F(xiàn)狀工況(工況1,工況2)和非常運(yùn)用工況(工況3)下均不能滿足《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379—2007)[4]要求。

由表6計(jì)算結(jié)果可知斷面2的總體穩(wěn)定在正常運(yùn)行工況(工況1)不能滿足《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379—2007)[4]要求,當(dāng)骨料倉底板糟破壞后(工況2)不能滿足規(guī)范要求；在非常運(yùn)行工況下,底板完整前提下遭遇地震情況(工況3)滿足規(guī)范要求。

表5 斷面1堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果

表6 斷面2堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果

3 結(jié)語

經(jīng)進(jìn)行現(xiàn)場地形測量,地質(zhì)鉆探及分析計(jì)算,骨料倉岸坡穩(wěn)定問題得出結(jié)論如下：

1) 骨料倉管樁基礎(chǔ)承擔(dān)最大荷載小于管樁承載力的特征值,滿足《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)[2]。

2) 骨料倉底板鋼筋砼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算,沖切強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求,抗彎強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度均不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191—2008)[3]要求,在長期荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較寬裂縫并導(dǎo)致底板強(qiáng)度明顯較低,起不到承托骨料倉自重作用。

3) 對岸坡的整體穩(wěn)定進(jìn)行了上,下游兩個(gè)斷面的驗(yàn)算,每個(gè)斷面計(jì)算了3種工況,整體穩(wěn)定分析結(jié)論如下：除了下游斷面在地震工況能滿足《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL379—2007)[4]要求外,其它斷面5種工況均不能滿足規(guī)范要求,特別是上游斷面在骨料倉底板遭受破壞導(dǎo)致坡頂荷載增大致骨料荷載的50%時(shí),整體穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.829,即會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。同樣上游斷面地震工況整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也小于1。

4) 上游段在散裝水泥裝卸機(jī)位置臨水擋墻下面由于河岸疏挖而掏空,水下河床與擋墻底板形成3.5m左右的高差,按一般經(jīng)驗(yàn)底板下內(nèi)側(cè)的河岸土體會(huì)不斷坍塌，進(jìn)而對后方基礎(chǔ)造成破壞,這必然危及岸坡安全。

[1] 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50286—2013[S].

[2] 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ79—2012[S].

[3] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：SL191—2008[S].

[4] 水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范：SL379—2007[S].

[5] 鈕新強(qiáng)，汪基偉，章定國.新編水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Bank slope stability analysis of FoShanDaDi WuXingDuan

PAN Shaoyun

(Guangdong ysd Surveying & Designing Co.Ltd,Foshan,China)

Combining with the embankment’s actual current surcharge load and bank slope structure, three kind of analysis with different load conditions for bank slope are given and the corresponding calculation model are builded as to make the bank slope’s stability analysis and evaluation. ① the load which can not bear will be regarded as the external load of the slope crest when the bearing capacity of the tubular pile is less than the load;②when bearing capacity of tubular pile is larger than the load carrying capacity but aggregate storage bin’s not, partial load will act on the slope crest as the destruction of bottom board and reducation of the tubular pile’s bearing capacity; ③the bin load can be regarded as act on the basement rock directly but not on the soil thus need not to take it as external load when both the tubular pile and aggregate storage bin’s bearing capacity are larger than the load.

bank slope stability; vertical bearing capacity

2016-01-08;

2016-02-01

潘少云(1984),女,本科,工程師,從事水利工程設(shè)計(jì)、咨詢工作。

TU432

B

1008-0112(2016)01-0031-05