某河道边坡抗滑桩加固前后安全性分析

马 杰，高 健，刘 聪

(1.南京河西工程项目管理有限公司，江苏 南京 210000；2.南京市水利规划设计院，江苏 南京 210000)

1 工程概况

某河道承担着该地区防洪行洪重要功能，也是城市引水调水改善水环境质量的重要通道。为保障该区域行洪安全、改善水质、优化引排体系、提升滨水环境，需对该河道进行综合整治。河道长约9.3km，左岸主要是拆除挡墙及硬质护坡，对局部堤段拟进行抗滑处理。右岸堤顶高程不足，对局部堤段拟设置防洪墙，防洪墙采用钢筋混凝土灌注桩进行地基处理[1]。河道堤顶设计高程11.62～11.39m，河底高程5.0～3.5m。堤顶设计宽度不小于6m，条件受阻且后方有临近市政道路可借用为防汛道路时，设计宽度不小于3m。

为了确保河道治理过程中河道边坡安全，治理前对边坡安全性进行分析。已有文献通过数值模拟对边坡安全系数进行分析[2]，也有文献通过传统边坡稳定性计算方法进行边坡安全评估[3- 4]。本文将2种方法相结合，通过三维有限元数值模型和理正岩土计算软件，计算发现局部河堤自然边坡安全系数较低，若采用抗滑桩对边坡进行加固，抗滑桩尺寸有待确定。

2 地质参数

本文取最危险断面进行研究，该断面地层分布如图1所示。根据现场勘察、室内土工试验、原位测试结果，勘察范围内自然沉积土层自上而下划分为6层11亚层[5]，具体如下：

①素填土。

②粉质黏土：广泛分布。黄褐色-灰色，可塑-软塑，压缩性中等，局部高压缩性，局部夹粉土薄层，含少量铁锰结核，偶见螺壳。厚度0.60～8.70m，顶板埋深0.50～6.30m。

图1 原始边坡安全系数

③淤泥质粉质黏土：场地内普遍分布。灰色，灰黑色，流塑，高压缩性。土质不甚均匀，含少量腐殖质，具层理，局部呈千层饼状，夹粉土、粉砂薄层，该层与③1粉质黏土(软塑-流塑)呈互层状出现或交错相变。部分钻孔未揭穿，厚度1.00～19.50m，顶板埋深0.50～31.60m。

③1粉质黏土(软塑-流塑)：广泛分布。灰色-灰黑色，软塑-流塑，中-高压缩性，局部呈千层饼状，夹粉土、粉砂薄层，该层与③淤泥质粉质黏土呈互层状出现或交错相变。部分钻孔未揭穿，厚度0.90～25.00m，顶板埋深0.60～31.60m。

③2粉土：局部分布。灰-青灰色，松散-稍密，局部中密，饱和。夹薄层粉砂，呈透镜体状或夹层状分布于③淤泥质粉质黏土、③1粉质黏土(软塑-流塑)中。部分钻孔未揭穿，厚度0.80～4.10m，顶板埋深0.60～24.30m。

④粉质黏土：局部分布。灰褐色-黄褐色，局部灰黑色，可塑，局部硬塑，中等压缩性，土质较均匀，切面较光滑，韧性及干强度中等，含少量铁锰结核。部分钻孔未揭穿，厚度1.70～10.20m，顶板埋深15.70～31.50m。

④1粉土：局部分布。深灰色，中密，饱和。夹薄层粉砂及粘性土。部分钻孔未揭穿，厚度1.00～7.80m，顶板埋深29.80～36.50m。

④2粉、细砂：局部分布。灰色，青灰色，中密-密实，饱和，成分以石英、长石为主，含云母碎片，具水平状沉积层理，夹薄层稍密状粉土，层厚一般1～2cm，分布不均匀，局部富集。摇振反应迅速。该层局部未揭穿，厚度2.80～11.10m，顶板埋深26.40～36.90m。

④3中粗砂混砾石：局部分布。灰色，密实，成分以中粗砂为主，含少量砾砂，混少量砾石，砾石粒径2～20mm，局部10～30mm。该层局部未揭穿，厚度1.80～9.30m，顶板埋深18.50～43.90m。

⑥强-中等风化粉砂质泥岩：场地内局部揭露。棕红色，泥质结构，层状构造，岩石结构部分破坏，岩石节理裂隙较发育，遇水软化，手掰易断，风干后易崩解，岩芯呈短柱状，少量碎块状，岩芯采取率80%。属极软岩，较完整，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层未揭穿，最大可见厚度5.40m，顶板埋深20.40～48.80m。

⑦中等风化泥质砂岩：仅NH12A孔揭露。棕红色，砂质结构，层状构造，遇水易软化，风干后易崩解，泥质胶结，胶结程度较差，岩石结构部分破坏，岩芯呈柱状，少量碎块状，岩芯采取率90%。属极软岩，较完整，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层未揭穿，最大揭露厚度4.40m，顶板埋深7.60m。

3 数值模型及参数

场地加固前，通过三维有限元软件对拟采用的加固方案进行验证，计算使用达索SIMULIA公司开发的ABAQUS有限元软件[6]。模型左侧水位在坝顶以下1.0m深度处，右侧假设水位为6.9m标高处，河道蓄水(水压力)作用于6.9m以下坡面和河道底部，施工期荷载形式为作用在坝顶30kPa的均布荷载(消防车通过)。土层采用摩尔-库仑本构模型，土层简化为4层，以坝顶为0点，0～5.6m为填土，5.6～7.7m为粉质黏土，7.7～35.0m为淤泥质粉质黏土，35.0～40.0m为细砂层，左、右侧地下水位高度不同，水位以上采用天然重度，水位以下土层采用浮重度。具体计算参数见表1。

表1 数值模型计算参数

4 结果分析

4.1 原始边坡安全性分析

图2为采用强度折减法计算得到的强度折减系数和堤坝顶某点变形随计算步(虚拟时间)的变化曲线，以计算收敛点作为边坡安全系数判定准则，边坡安全系数为1.25；以变形陡降点为边坡安全系数判定准则时，边坡安全系数为1.15。

图2 原始边坡安全系数

图3给出了变形云图与边坡塑性应变云图(PEMAG)，考虑蓄水影响和施工期荷载(坝顶为30kPa均布荷载)。从图3中可知，坡脚变形最大。塑性区云图显示，塑性区从坡脚延伸到堤坝左岸，潜在滑动面底面深度约为坝顶以下24m。

图3 边坡沉降云图与塑性应变云图

此工况下，通过理正岩土软件，采用圆弧滑动法验算了边坡的安全系数为1.25时的潜在滑移面位置。根据土层分布，计算分为6个区域。水面线起始点坐标为(18.000，2.600)，条分法的土条宽度为0.5m，搜索时的圆心步长0.5m，搜索时的半径步长为0.1m。计算结果如图4所示，计算总的下滑力为2145.383kN，总的抗滑力为2711.286kN。滑动圆心坐标为(28.500，8.000)，滑动半径约为26.4m，滑移面底部距离坝顶深度约为25.6m，与数值计算的滑动面深度(24m)相近。

综上所述，原始场地在水位和施工荷载的共同作用下，满足设计安全系数1.25时潜在滑动面深度约为坝顶以下25m处。

图4 圆弧滑动方法计算详情及结果

4.2 抗滑桩加固分析

结合上述2种计算结果，发现满足设计安全系数1.25时潜在滑动面深度约在坝顶以下约25m处，在坝顶以下4.5m处的坡面打抗滑桩，抗滑桩桩顶距离潜在滑动面的距离约为21m，拟打穿潜在滑动面5m来抵抗边坡滑动，预计桩长为26m。基于此，建立了三维有限元数值模型。桩身模量为30GPa，由于桩顶没有竖向荷载，桩土接触参数根据Randolph和Wroth的经验计算公式确定[7]。

图5为计算得到的强度折减系数和堤坝某点变形随计算步(虚拟时间)的变化曲线，以沉降陡降点作为边坡破坏的判定准则时，此时边坡安全系数约为1.40；当以计算收敛点作为边坡安全系数判定准则时，边坡安全系数约为1.50。

图6给出了打桩后沉降云图与边坡塑性应变云图(PEMAG)。从图6可知，边坡变形从陡降变为缓降，破坏模式发生变化，左侧变形得到有效控制。塑性区云图显示，抗滑桩的存在有效减小了左侧塑性区的范围，潜在滑动面较原始边坡有下移趋势，但没有贯通桩端，滑移面的下移也代表着安全系数的提高。

图5 打桩后某点变形与FV1随计算时间的变化

图6 打桩后边坡沉降云图与塑性应变云图

同理，采用圆弧滑动法计算打桩后边坡的最危险滑动面及安全情况。水面线起始点坐标为(0.000，2.600)，条分法的土条宽度为1.0m，搜索时的圆心步长1.0m，搜索时的半径步长为0.5m。计算结果如图7所示，滑动圆心坐标为(28.514，12.448)，滑动半径约为18.3m。计算总的下滑力为1188.839kN，总的抗滑力为1724.674kN，计算滑动安全系数约为1.45，和三维有限元计算结果基本吻合。由于搜索滑动面为最危险滑动面，因此滑动面较原始边坡安全系数1.25时明显提高。

5 结语

文章依托某河道边坡治理工程，对该工程的地质情况进行介绍，通过ABAQUS三维有限元数值模型和理正岩土软件，计算得出原始河道边坡安全系数较低的结论。而后，已知安全系数1.25，通过设置边坡抗滑桩反演计算，进一步通过ABAQUS三维有限元数值模型和理正岩土软件计算得到抗滑桩加固后的边坡安全，验证了边坡加固方式的合理性和可行性，为相似工程安全性评估提供参考。如可得到后续施工过程的实测数据，可进一步补充验证计算方法。

图7 打桩后圆弧滑动法计算结果