库水位变化对抗滑桩内力变形特征的影响

杨 霞

(上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司，江西 上饶 334000)

库区水位变化对库岸边坡的稳定性有着显著影响。受水的软化作用，水下坡体的物理力学性质将显著降低，加之受降雨、水位骤变等水力条件和地震等外部因素影响时，坡体内部应力场、渗流场等分布发生改变，进而降低边坡的稳定性。抗滑桩是库岸边坡治理的主要形式，而抗滑桩治理后的边坡同样会受库区水位变化的影响，从而影响抗滑桩对边坡的加固效果。因此，研究水位变化对库岸滑坡治理中抗滑桩的内力变形特征影响，对保障库岸边坡的稳定具有重要意义。本文将根据重庆某江岸消落区的边坡抗滑桩治理工程，选取典型地质断面作为研究对象，利用GTS NX数值计算软件分析不同水位和不同安全储备系数工况下边坡的位移应变分布和抗滑桩的内力变形特征，对比分析不同工况下库岸边坡的稳定性。研究成果可为类似条件库岸边坡的治理提供参考。

1 工程概况

工程为重庆某县城江岸消落区环境整治工程。由于库岸多为土质和土岩混合坡，其抗冲蚀能力差，受江水涨落冲刷作用，岸坡易形成坍塌破坏，且在库水位循环作用下，土体受软化导致岸坡整体稳定性下降，进而引起岸坡整体滑移。S2剖面是该工程库岸的典型地质剖面，采用“清方+埋入式抗滑桩”治理方案，示意图如图1所示。具体治理方案为：高程175、165、160m处分别设14.5、3、3.5m的平台，反压体采用钢丝石笼网护面；185～175m护坡采用1∶2坡比的植物护坡，175～160m护坡采用1∶2.5坡比的植物护坡+格宾网加固。

图1 S2断面工程地质剖面图

2 分析方案和数值计算模型

有限元法是一种可靠、合理方便的计算方法，能够充分考虑桩-土的协同作用，可直接算出桩的内力状态。因此，本文采用有限元强度折减法计算抗滑桩的内力，仅对桩后土体进行折减。

2.1 分析方案

针对“清方+埋入式抗滑桩”治理方案，为分析不同水位工况下和不同安全储备系数条件下抗滑桩结构的内力特征，共设计了7种计算方案，具体见表1。其中，设计了4种水位工况，即工况1：自重+地表荷载+坝前175m水位；工况2：自重+地表荷载+坝前145m水位；工况3：自重+地表荷载+水位从175m降至145m；工况4：自重+地表荷载+水位从162m降至145m。计算方案1-4的主要目的是计算不同水位工况下的抗滑桩内力分布情况，计算方案1、5-7的主要目的是为了分析不同安全储备系数对抗滑桩内力的影响。

表1 S2断面有限元数值计算方案

2.2 有限元模型的建立

采用MIDAS-GTS NX软件建立S2断面的有限元计算模型，网格采用四边形网格划分，在模型建立时对一些弧线进行多段线进行简化处理。有限元模型采用三维模型，抗滑桩采用1D梁单元进行模拟，计算模型如图2所示。抗滑桩直径取3.5m，桩间距取7m。网格划分时将基岩边界尺寸控制为4～5m，而关键区域(覆盖土层)的网格尺寸控制在1～2m。有限元计算中，材料参数根据地质勘察报告选取，具体见表2。根据不同工况的水位情况赋予岩土体材料不同的参数，水位线上采用天然容重、天然黏聚力、天然内摩擦角，水位线下采用浮容重，饱和黏聚力、饱和内摩擦角。

表2 岩土体和抗滑桩结构的计算参数

图2 S2断面的有限元数值计算模型

边界条件为：模型底部约束x、y、z方向的位移，模型前后两侧、左右两侧分别约束z、x方向位移，重力方向为y。

计算步骤为：①地应力平衡；②桩基施工；③根据规范要求的安全储备系数对岩土体参数桩后土体进行折减；④提交计算，提取桩的内力结果。

3 岸坡稳定性与抗滑桩受力变形模拟

3.1 水位工况对抗滑桩受力及边坡稳定性的影响

3.1.1不同水位工况条件下抗滑桩支护后边坡的滑动趋势

为分析不同水位下抗滑桩支护后边坡的滑动趋势，提取了不同工况条件下边坡的水平位移云图和最大剪应力云图，如图3所示。

图3 不同水位工况下边坡的水平位移云图和最大剪应变云图

在175m水位时，潜在破坏面出现于边坡中部，其水平位移较其它水位工况更大，最大水平位移达到了0.29m，且最大位移区分布范围广(占比达12.8%)，此时边坡最大剪应变带末端刚好位于抗滑桩顶部，表明该工况下边坡将呈现滑体越顶破坏，主要原因是库区水渗入边坡岩土体内部，对岩土体产生浮托作用[16]，降低了岩土体的抗滑能力，使边坡表面的潜在滑体产生水平位移，而175m高水位时库水对坡体抗滑能力的影响更大，产生了更大的水平位移；此外，由于边坡中部高程为175m，则175m水位工况时库水将对该区域坡体物理力学性质产生较大影响，降低其抗滑能力，致使潜在破坏面出现于边坡中部。

对145m水位、175m降至145m水位和162m降至145m水位工况，其水平位移带和最大剪应变带均出现在边坡上部，最大水平位移均小于0.062m，分布范围不到边坡面积的2.5%，说明此3种水位工况下边坡的潜在破坏面会出现于边坡上部，但后2种变水位工况下，边坡变形量较145m恒水位工况更大。主要原因为低水位工况和高水位降至低水位工况时，与175m高水位相比，库水对坡体产生的浮托作用更小，但高水位降至低水位时坡体内部地下水位降低会滞后于库水位变化，该变水位工况下坡体抗滑能力较145m恒水位工况降低更显著。此外，由于该3种水位与边坡相对应的高程为坡体下部，对抗滑桩上部坡体抗滑能力影响较小，加之坡体上部坡度更大，故此3种水位工况时潜在破坏面会出现在边坡上部。

3.1.2不同水位工况条件下抗滑桩内力及变形分布

提取出不同水位工况下边坡抗滑桩的轴力、剪力、弯矩以及水平位移值，绘制出抗滑桩内力和变形随桩长的分布曲线，如图4所示。由数值计算结果发现，4种水位工况下，抗滑桩的轴力分布基本一致，差别不大。剪力随桩长的分布趋势也基本一致，在桩长8m处骤然达到最大，175m水位和145m水位工况下抗滑桩剪力分别最大和最小，分别为7478kN和4136kN，而2种变水位工况最大剪力差别不大，位于高低恒水位工况之间(如图4(a)所示)。4种水位工况下抗滑桩弯矩分布形式基本一致，最大弯矩从大到小的工况为：175m水位、162m降145m水位、175m降至145m水位、145m水位，最大弯矩为22300kN·m(如图4(b)所示)。对水平位移而言，在桩长小于8m时，4种水位工况下抗滑桩水平位移几乎均为零，主要原因是小于8m桩长部分位于坡体潜在滑面以下，坡体稳定，其变形较小，则传递给抗滑桩的推力小；随后水平位移值随桩长逐渐增加，其增加程度从大到小的工况为：175m水位、175m降至145m水位、162m降145m水位、145m水位，最大水平位移不超过6mm。

图4 不同水位工况下边坡抗滑桩的剪力、弯矩和水平位移分布

可以看出，抗滑桩的受力及变形规律主要受边坡变形的影响，当坡体变形位移大时，坡体施加在抗滑桩上的推力则更大，从而导致抗滑桩更大的剪力、弯矩和发生更大的位移。

3.2 安全储备系数对抗滑桩受力及边坡稳定性的影响

3.2.1不同安全储备系数下抗滑桩支护后边坡的滑动趋势

本节针对同一种工况条件(即175m高水位工况)，对抗滑桩上部土体强度进行折减，安全系数分别取1.25、1.20、1.15和1.10，模拟计算获取边坡的滑动趋势。从不同安全储备系数下边坡的水平位移云图和最大剪应变云图可以看出(如图5所示)，当安全系数为1.25时，边坡潜在破坏面出现于边坡中部，剪应变末端出现于桩顶部。降低安全系数时，如安全系数为1.20时，边坡水平位移主要发生在中部，但边坡上部也形成了变形稍低的水平位移带，边坡最大剪应变也呈现出类似分布规律，表明此工况下边坡潜在破坏面有2条，即边坡中部和边坡上部，且均沿基岩面发生破坏。安全系数为1.15、1.10时，其情况与安全系数为1.20时类似，但最大水平位移随安全系数的降低呈指数型降低(如图6所示)，4种工况下依次为0.29、0.063、0.035、0.017m。主要原因是计算时所采用的安全系数越大，对坡体抗剪强度的折减程度就越大，在175m高水位工况时，边坡中部及以下坡体均在库水位以下，由于库水对坡体的浮托作用，折减程度越大时土体受浮托力影响更显著，致使边坡中部较大范围坡体发生了较大程度的变形，而低折减程度的坡体受库水浮托作用影响更小，抗滑桩上部坡体的变形范围和变形程度均更小，并逐渐传递给坡度更大的上部坡体。

图5 不同安全储备系数下边坡的水平位移云图和最大剪应变云图

图6 边坡最大水平位移与安全储备系数的关系曲线

3.2.2不同安全储备系数下抗滑桩内力及变形分布

不同安全储备系数情况下边坡抗滑桩剪力、弯矩及水平位移随桩长的变化曲线如图7所示。与不同水位工况下抗滑桩受力变形机制相同，抗滑桩所受内力及其变形均由其上部坡体的推力导致，故坡体发生更大程度的变形时，施加在抗滑桩上的力也就越大。具体规律为：随着边坡安全系数的增加，抗滑桩最大剪力逐渐增加，最大剪力从1143kN增加至7478kN(图7(a))；抗滑桩最大弯矩值也随安全系数的提高而增加，最大弯矩值从3487kN·m增加至22300kN·m(图7(b))。对抗滑桩的变形而言，随安全系数的增加，抗滑桩最大水平位移逐渐增加，最大变形为5.88mm，小变形为0.88mm。此外，抗滑桩最大剪力和最大弯矩出现在同一桩长处，在8m左右，而抗滑桩水平位移在桩长小于8m时几乎为零，随后才逐渐增长，在桩顶达到最大位移。

图7 不同安全储备系数下抗滑桩的剪力、弯矩和水平位移分布

4 结论

本文基于GTS NX有限元计算方法，模拟了不同水位和安全储备系数下边坡的位移应变分布和抗滑桩内力变形特征，得出以下结论：

(1)坡体抗滑力在高水位时降低显著，边坡变形区域广、变形程度大，潜在破坏面出现在边坡中部；低水位和高水位降至低水位时，坡体变形转移至边坡上部。抗滑桩内力变形程度从大到小为：高水位、高水位降至低水平、低水位，抗滑桩最大剪力和弯矩出现在滑面处。

(3)边坡最大水平位移随安全系数的降低呈指数型降低，抗滑桩剪力、弯矩和水平位移均随安全系数的增加而逐渐增大。

论文成果对类似工程岸坡稳定性评价和抗滑桩设计具有一定借鉴意义，但未考虑地震、降雨等对边坡的影响，后续将综合考虑地震等因素对边坡稳定性的影响。