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(xué)院，重慶401331 2、重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶400052）

隨著我國庫區(qū)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展以及建設(shè)用地的不足，越來越多的庫岸邊坡被用作建設(shè)用地，而庫水位的變化會(huì)使岸坡地基的應(yīng)力狀態(tài)及水動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生改變，輕則導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、開裂，重則導(dǎo)致房屋因地基失穩(wěn)而垮塌。目前有許多學(xué)者已在庫水對岸坡穩(wěn)定性影響方面進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(chǔ)的水位位移及沉降值的影響；楊背背[4]基于地質(zhì)資料和監(jiān)測資料，歸納總結(jié)了庫區(qū)水位變化對岸坡穩(wěn)定性及變形的影響。梁學(xué)戰(zhàn)[5]通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合對三峽庫區(qū)典型岸坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究；王學(xué)武[6]對庫水升降時(shí)的岸坡滲流場變化進(jìn)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(gè)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(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而使土體吸水或者失水，導(dǎo)致非飽和土與飽和土的相對狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變的本質(zhì)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(dá)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(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)榉秋柡屯林泻袣怏w，減小了孔隙水的流動(dòng)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(guān)，本文采用S.E. Cho[8]等人提出的關(guān)系式控制土的滲透系數(shù)與飽和度之間的函數(shù)關(guān)系。非飽和土不僅受到作用于土骨架上的土體凈應(yīng)力作用，還受土體與孔隙水之間的基質(zhì)吸力作用，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮凈應(yīng)力與基質(zhì)吸力對土體應(yīng)變的影響。本文采用基于摩爾庫倫準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，其中土體的應(yīng)力狀態(tài)采用有效應(yīng)力進(jìn)行定義，如式（2）。

式中σ'為有效應(yīng)力，σ 為凈應(yīng)力，χ 為有效應(yīng)力系數(shù)，在有限元分析中認(rèn)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(jié)構(gòu)，材料參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)

2.2 模型計(jì)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(shí)的模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，然后將計(jì)算得出的土體應(yīng)力作為初始條件導(dǎo)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(jìn)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(dāng)庫區(qū)水位上升時(shí)，靠近庫區(qū)一側(cè)土體的浸潤線相對較高，這是因?yàn)閹焖簧仙?，庫水逐漸向坡體內(nèi)滲流，但土體的滲流阻力導(dǎo)致坡體內(nèi)的地下水位不能及時(shí)響應(yīng)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(shí)的浸潤線

庫水位上升過程中，岸坡的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生較大變化，這是因?yàn)閹焖灰韵碌钠旅鏁?huì)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(zhì)吸力也會(huì)發(fā)生改變，此外滲流作用還會(huì)產(chǎn)生滲流力。在庫水上升過程中，岸坡豎向應(yīng)力最大處逐漸上移，不同庫水位時(shí)邊坡的應(yīng)力變化如圖3、4 所示。

圖3 庫水位155 時(shí)的豎向應(yīng)力

圖4 庫水上升至最高水位時(shí)的豎向應(yīng)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(shí)刻其隆起值越大，即樁基變形量與庫水上升速度成正相關(guān)。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(shí)樁基沉降

圖6 0.5m/s 上升時(shí)樁基沉降

3 結(jié)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(jìn)行了流固耦合分析，得出以下結(jié)論：

（1）庫區(qū)水位上升速度越快，岸坡內(nèi)浸潤線左右兩端的差值越大；

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

（3）岸坡建筑距離庫區(qū)越近，則受庫水升降的影響越大。