堤防软土边坡稳定性分析

张莉萍, 李 进, 陈 勇, 王艳波

(南京市水利规划设计股份有限公司,江苏 南京 210022)

堤防软土边坡稳定性分析

张莉萍, 李 进, 陈 勇, 王艳波

(南京市水利规划设计股份有限公司,江苏 南京 210022)

堤防堤基分布的软土是堤防边坡稳定的关键性控制因素,软土具有高含水率、大孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性、高灵敏度、流变性的特点,使得软土边坡的破坏形式也区别于一般粘性土边坡。从工程实例出发,通过软土流变试验研究软土的长期强度衰减特征,并将试验结果引入工程实际计算中,提出堤防工程软土边坡稳定计算过程中强度参数应采用长期强度指标作为边坡稳定计算参数。该研究成果对堤基下分布软土的堤防边坡的稳定分析具有一定的理论指导意义。

堤防边坡;软土流变;强度衰减;变形特性

南京市位于长江中下游,区内河网众多,多圩区,堤防历经多年修筑而成,许多堤防堤基下分布有深厚层的淤泥质土,软基上的堤防稳定性主要为软土层的承载能力所控制,同时,在一定程度上也受到水位骤降的影响[1]。已建堤防在多年运行过程中基本处于稳定状态。近年来,南京地区汛期接连发生短时期强降雨,造成城市内涝,农田被淹,多条主干河道水位超历史,造成极大的经济损失,因此,扩大河道行洪能力、提高区域防洪标准要求日趋强烈,在此背景下,进行堤防加固和河道拓浚成为主要的工程建设内容。最近几年的工程建设中已发生多起软土堤基上的堤防边坡稳定的问题,造成巨大的经济损失,同时在进行后期堤防边坡修复的过程中遇到各种各样的问题。软土具有流变性、高含水率、大孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性及高灵敏度等特点,而软土流变性是其力学特性不同于一般粘性土重要特性之一,土的流变特性使得软土变形和应力状态随时间变化,从而对边坡的稳定性及地基承载力具有显著影响[2-3]。

本文以南京市九乡河一期治理工程为例,研究软土的流变特性引起的强度指标衰减对堤防边坡稳定影响。

1 场区工程地质条件

1.1 地形地貌

九乡河为长江支流,拟建场地属长江漫滩地貌,堤防两侧原始地面标高▽8.70～▽9.50 m,现状河堤堤顶高程一般在▽13.00～▽14.00 m。由于右岸九乡河公园建设,右岸堤后填土高于堤防堤顶,局部堆高达▽20.00 m。

1.2 地层岩性

图1 典型工程地质剖面图Fig.1 Geological section of typical engineering

1.3 水文地质条件

场地地下水类型主要为第四系松散堆积层孔隙潜水。地下水位变化主要受大气降水及河水位的影响,地下水与九乡河有着较为密切的水力联系。

1.4 堤防工程地质条件分类

本段河道堤防堤基广泛分布着软粘土,按《堤防工程地质勘察规程》(SL188—2005),堤基地质结构类型为双层结构(上厚粘性土,下淤泥质土),堤基工程地质条件为C类,堤岸的稳定性属于3类,稳定性较差岸坡。

2 土的物理力学性质及边坡稳定计算

2.1 土的物理力学性质

本次试验所取软土试样来自南京市九乡河治理工程右岸,取样高程▽1.0～▽4.0 m,属于第四系全新世软土,灰色,含有机质,稍具臭味,局部夹砂壤土层,流塑状态。天然含水率为40%左右,通过颗粒分析得到软土粘粒(粒径<0.005 mm)含量约为26%～34%,具体物理力学性质指标见表1。

2.2 河道边坡的拓浚方案

拟拓浚河道为南京九乡河仙林大学城段,该工程为秦淮东河的先导段和试验段,河道断面按照九乡河、秦淮东河工程的要求确定:河底高程2.5 m,河道在用地范围内向右岸拓宽,左右岸坡比均为1∶2.5,迎水坡8.5 m高程处设2.5 m宽平台,开挖方式为干法施工,机械开挖。

表1 稳定性计算土体物理力学参数取值Table 1 Stability calculation of physical mechanics parameters of earth mass

注:Cq、φq为直剪试验的快剪强度指标;Cc、φc为直剪试验的固结快剪强度指标。

2.3 边坡设计参数选用及计算成果

根据地勘成果,按《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[4]及《水利水电工程边坡设计规范》(SL386—2007)[5]要求对稳定渗流期、水位降落期及施工期三种工况进行设计断面的岸坡稳定计算,计算方法采用瑞典圆弧法进行。其中施工期(最不利工况:雨后水位骤降)计算成果见表2。

表2 不同强度指标下施工期土坡稳定计算成果Table 2 The calculation results of soil slope stability in construction period under different strength indexes

由表2可见,采用直快指标施工期边坡处于非稳定状态,而根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)附录F及《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386—2007)附录C对施工开挖及水位降落期建议采用固结快剪指标对边坡稳定进行设计断面的岸坡稳定计算,因此认为堤防整体施工期处于基本稳定状态。

2.4 施工期情况及滑坡反分析结果

本工程河道采用干法施工(为加快施工进度施工单位一般在雨后2—3 d内抽干河水,最大水位降幅约达6 m),施工过程中,河道左岸在坡面开挖成型后(建设方案为修坡)发生多处软土边坡坡面变形状况(见图2),右岸(建设方案为开挖)更是在坡面开挖基本成型一个礼拜发生滑坡。滑坡发生后,对施工成型断面(考虑两级施工平台8.5 m、11.5 m施工机械,水位骤降)进行反分析模拟,计算模型中以临界状态(安全系数K=1)反分析软土(淤泥质重粉质壤土)临界抗剪强度指标(采用同时折减C、φ的方法),得到临界状态下淤泥质重粉质壤土凝聚力C=16.2 kPa、内摩擦角φ=11.3°。

图2 左岸软土边坡局部变形图Fig.2 The local deformation of soft soil slope on left bank

根据工程案例,发现前期设计计算中如采用直快指标结果则土坡不稳,而采用固快指标则过高地估计了处于欠固结状态的软土的抗剪强度,造成计算结果不安全。因此,软土边坡由于土体的流变特性,其应力状态及变形随时间变化而对边坡的稳定性产生影响。为此,必须研究土体流变特性对边坡稳定性的影响。

3 软土的流变特性试验及边坡加固处理建议

3.1 试验设计

本次试验采用应变控制三轴仪进行,试验步骤如下:①依据《土工试验规程》(SL 237—1999)[6]三轴压缩试验的要求进行制样;②土样在σ3(50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa)围压下固结;③在不排水条件下,施加偏应力将试样剪破,剪切应变速率分别采用0.08%/min(正常三轴CU试验剪切速率)及0.008%/min

图3 不同围压下轴向应变与主应力差的关系曲线Fig.3 The relationship between axial strain and principal stress difference under different confining pressure

(慢剪试验剪切速率,模拟长期强度指标)。本试验设计考虑软土的渗透系数小、水不易排出的特点,同时考虑软土缓慢加载下强度变化特征。

3.2 试验结果分析

图3给出了不同剪切应变速率、不同围压下轴向应变与主应力差的关系曲线,由图3可见,在不排水条件、相同围压下剪切应变速率0.008%/min土体的剪破强度比固结不排水剪切试验得到的剪破强度小了很多,说明加载的速率越慢,土体剪破强度越小,在荷载作用下,土体长期强度是减小的。各围压下强度衰减结果见表3。

表3 不同围压下强度衰减率Table 3 The strength attenuation rate under different confining pressures

不同围压下,考虑土体流变的强度衰减率为85%～94%,通过反分析可知:临界状态下淤泥质重粉质壤土强度衰减率为88%,所以采用考虑土体流变的强度指标参数进行软土边坡长期稳定分析是合理的。

3.3 边坡加固处理方案

滑坡、坡面变形发生后,根据反分析结果结合流变试验,对试验段未实施段进行变更设计,对左岸坡面变形处采用5 m杉木桩进行局部加固处理;右岸将▽8.5 m平台加宽至15 m,并对局部变形段采用杉木桩进行加固处理。同时对已发生滑坡段进行削坡减载,并设置抗滑桩进行加固处理。

4 结语

本文以南京市九乡河治理工程为例,研究软土在

荷载作用下的强度衰减特性,通过室内流变试验得到衰减后强度指标和反分析得出边坡临界状态下的强度指标基本吻合,采用长期强度指标用作边坡稳定分析且调整设计方案后,未发生大的滑坡,施工期采用杉木桩加固处理后的边坡变形也有了明显缓解。所以在堤基下分布软土的堤防边坡应选择长期强度指标作为设计依据。

[1] 徐光明,高长胜,张凌,等.软土地基上堤防稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2005(7):2315-2321.

[2] 杨爱武,杜东菊,卢力强.天津吹填软土沉积特性及其微观结构研究[J].水文地质工程地质,2010,37(5):83-87.

[3] 杨爱武,张兆杰,孔令伟.不同应力状态下软黏土蠕变特性试验研究[J].岩土力学,2014,35(2):53-59.

[4] 中华人民共和国水利部.堤防工程设计规范:GB50286—2013[S].北京:中国计划出版社,2014.

[5] 中华人民共和国水利部.水利水电工程边坡设计规范:SL386—2007[S].北京:中国水利水电出版社,2007.

[6] 中华人民共和国水利部.土工试验规程:SL237—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

(责任编辑：于继红)

Slope Stability Analysis of Embankment Soft Soil

ZHANG Liping, LI Jin, CHEN Yong, WANG Yanbo

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstitute,Co.Ltd.,Nanjing,Jiangsu200022)

The soft soil distributed in the embankment foundation is key control factors of embankment slope stability,it has the characteristics of high moisture content,large void ratio,high compressibility,low strength,low permeability,high sensitivity and rheological. Therefore,the failure forms of soft soil slopes are different from those of general cohesive soil slopes. This paper is based on engineering example,long-term strength attenuation characteristics of soft soil are studied by rheological test of soft soil. And the experimental results are introduced into the practical engineering calculation. As a result,long-term strength index should be used as a parameter of slope stability calculation in stability calculation of soft soil slope in embankment project. The results of this study has a certain theoretical guidance significance to the analysis of soft soil distributed in the embankment foundation.

embankment slope; rheology of soft soil; strength attenuation; deformation characteristics

2017-06-15;改回日期:2017-06-16

张莉萍(1972-),女,高级工程师,工程地质专业,从事水文地质、工程地质及岩土工程相关勘察及设计工作。E-mail:516954123@qq.com

TV871

A

1671-1211(2017)04-0460-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.022

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.006.html 数字出版日期:2017-06-20 13:20