堤防穩(wěn)定性的有限單元法分析研究

祁 瀟 郭有志

(1.三江學(xué)院，江蘇 南京 210012；2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司，上海 200135)

0 引言

隨著邊坡工程的蓬勃發(fā)展，邊坡災(zāi)害逐年增多，主要有滑坡導(dǎo)致交通中斷、建筑物被掩埋等，這使得邊坡穩(wěn)定性分析變得尤為重要[1,2]。Geo-Studio軟件是基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算，能夠非常準(zhǔn)確、快速的求解出邊坡最小安全系數(shù)以及最危險(xiǎn)滑移面[3,4]。本文利用Geo-Studio軟件，以某建筑物臨近河道邊坡為例，對(duì)河道邊坡常水位、洪水位、地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，說(shuō)明Geo-Studio在邊坡穩(wěn)定性方面的應(yīng)用，為同類河道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供一定的參考。

1 工程概況

南京市某建筑物群，如圖1所示，建筑物3號(hào)、6號(hào)樓標(biāo)高分別為12.50 m,12.00 m，跨度分別為8.4 m,9.0 m，地標(biāo)高9.50 m左右。建設(shè)過(guò)程中進(jìn)行填方，采用預(yù)制樁進(jìn)行地基處理。3號(hào)、6號(hào)樓距離河道大堤坡腳平均距離為20 m，小于規(guī)范[5]所規(guī)定的距離30 m。建筑物與大堤的距離見(jiàn)圖2，大堤的最高水位為12.00 m。根據(jù)要求[5]，需要對(duì)河道邊坡常水位、洪水位以及地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，以確保河堤邊坡的安全。

2 計(jì)算參數(shù)及工況

2.1 河道基本情況

建筑物所在區(qū)域，河道底坡變緩，接近水平，底高程在6.40 m左右，平均河底比降為0.6/10 000，河道轉(zhuǎn)變?yōu)檑讌^(qū)性河道。河道上口寬總體在50 m～70 m之間，河道斷面型式以梯形為主，迎水坡邊坡系數(shù)總體為2.0～3.0。左岸堤防頂高程為14.10 m～14.50 m，右岸堤防頂高程為13.80 m～14.60 m，背水坡陡緩不一，緩處邊坡系數(shù)在4.0以上，陡處邊坡系數(shù)1.5～2.0。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察、鉆孔取樣得到的堤防巖土工程勘察報(bào)告，可知建筑物場(chǎng)地和河堤地質(zhì)巖土層分布示意圖如圖3，圖4所示。

建筑物范圍內(nèi)地質(zhì)情況大致如下：

①層素填土：可塑狀態(tài)，粘性土為主，硬雜質(zhì)含量大于25%，工程性質(zhì)較差。該層層厚為0.50 m～4.50 m，層底埋深為0.50 m～4.50 m。

②層粉質(zhì)粘土：可塑狀態(tài)，中偏高壓縮性，干強(qiáng)度中等，韌性中等。場(chǎng)區(qū)部分地段分布，該層層厚為0.70 m～5.80 m，層底埋深為1.90 m～6.70 m。

②-A層粉質(zhì)粘土：軟塑狀態(tài)，局部流塑，中偏高壓縮性，干強(qiáng)度中等，韌性中等。場(chǎng)區(qū)部分地段分布，該層層厚為0.80 m～8.50 m，層底埋深為3.50 m～10.50 m。

③層粉質(zhì)粘土：硬塑狀態(tài)，局部可塑狀態(tài)，中低壓縮性，干強(qiáng)度較高，韌性較高。該層層厚為2.60 m～12.60 m，層底埋深為10.10 m～13.80 m。

④層殘積土：密實(shí)，稍濕，呈砂土狀?yuàn)A礫石及母巖風(fēng)化碎塊。該層層厚為1.40 m～4.20 m，層底埋深為13.00 m～16.90 m。

河堤地質(zhì)情況如下：

①層素填土：成分以粘性土為主，土質(zhì)不均勻，結(jié)構(gòu)較松散。該層層厚為0.80 m～3.30 m，層底埋深為0.80 m～3.30 m。

②-1層粉質(zhì)粘土：可塑狀態(tài)，底部漸變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，中壓縮性。場(chǎng)區(qū)部分地段缺失。該層層厚為2.50 m～3.70 m，層底埋深為5.80 m～6.50 m。

②-2層粉質(zhì)粘土：軟塑狀態(tài)，局部流塑，中偏高壓縮性，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。該層層厚為6.20 m～9.30 m，層底埋深為10.10 m～13.80 m。

③層粉質(zhì)粘土：可塑狀態(tài)，干強(qiáng)度較高，韌性較高，中低壓縮性。層厚為2.80 m～4.00 m，層底標(biāo)高為14.10 m～16.70 m。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及已知材料特性，計(jì)算參數(shù)取值如表1和表2所示。其中表1為建筑物場(chǎng)地各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，表2為河堤典型斷面各土層的物理力學(xué)指標(biāo)。

表1 建筑物區(qū)域土層的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 河堤巖土層工程地質(zhì)特性

2.3 場(chǎng)地地震效應(yīng)

依據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A，南京地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g。場(chǎng)地覆蓋層厚度較薄，覆蓋層以下為穩(wěn)定巖石，20 m深度范圍內(nèi)不存在飽和粉土、砂土，無(wú)液化土層分布。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、活動(dòng)斷裂分布、發(fā)育特點(diǎn)、地震活動(dòng)歷史、地形、地貌等綜合因素分析，可以認(rèn)為場(chǎng)地屬相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。

2.4 計(jì)算工況

計(jì)算模型選取鉆孔取樣地質(zhì)剖面?？紤]以下工況：

1)穩(wěn)定滲流期，河道常水位7.5 m；

2)穩(wěn)定滲流期，河道常水位5.0 m，遭遇7度地震；

3)穩(wěn)定滲流期，河道洪水位12.29 m；如表3所示。

表3 岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算工況

3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

各工況下地質(zhì)剖面和計(jì)算滑弧示意圖見(jiàn)圖5～圖10所示。其中圖5～圖7為迎水面河堤安全計(jì)算示意圖，圖8～圖10為背水面河堤安全計(jì)算示意圖。河堤斷面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由計(jì)算結(jié)果分析，工況1堤防迎水面、背水面穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.06,2.93，具有較大安全裕度；遭遇地震時(shí)安全系數(shù)有所降低，為1.28和2.17，但仍滿足規(guī)范[5]要求。洪水位也具有較大安全系數(shù)，滿足規(guī)范[5]要求。

由于河道常水位為7.5 m左右，洪水位為12.29 m左右，而堤防背水坡底高程為12.6 m；同時(shí)地質(zhì)勘察表明，本河段夏季地下水位在地面以下2.5 m左右，冬季在地下15 m左右。因此，堤防不存在滲透失穩(wěn)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于Geo-Studio有限元軟件對(duì)河道堤防的穩(wěn)定性進(jìn)行了三種工況的計(jì)算分析。結(jié)果表明：

1)不同工況下建筑范圍內(nèi)河道堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均在1.20以上，有較大安全裕度，同時(shí)分析表明堤防無(wú)滲透穩(wěn)定性問(wèn)題，滿足規(guī)范要求。

2)Geo-Studio具有強(qiáng)大的滲流和穩(wěn)定分析功能，可為類似工程提供參考。

[1] 陳祖煜．土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析——原理·方法·程序[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003．

[2] 胡建剛．邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施研究[J]．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2017(19):20,97．

[3] 汪承亮．極限分析法在邊坡穩(wěn)定分析及擋土墻土壓力計(jì)算中的應(yīng)用[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

[4] 胡 海，陳玉明，玉尖地．基于Geo-Studio邊坡穩(wěn)定性分析[J]．價(jià)值工程，2016,35(16):195-196．

[5] GB 50286—2013,堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].