降雨入滲對駁岸穩(wěn)定性影響的研究

降雨入滲對駁岸穩(wěn)定性影響的研究

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市內(nèi)河環(huán)境也受到了廣泛的關(guān)注。為了改善城市居民的生活環(huán)境，許多城市實施了河岸環(huán)境綜合整治，包括河流清潔、沿海鐵路合理利用、雨棚維修等。城市內(nèi)河駁岸是指沿河地面以下保護河岸的構(gòu)筑物,其既有擋土墻的作用(阻止河岸土體坍塌),又兼有河堤的作用(防止河水沖刷)。與擋土墻、河堤不同,影響駁岸穩(wěn)定性的因素較多,例如駁岸自身結(jié)構(gòu)形式、外部荷載、回填土質(zhì)量、排水等大量工程實踐證明,邊坡、路堤、河堤等滑坡災害大都發(fā)生在降雨過后,雨水的入滲不僅增加了邊坡的自重,還增大了土體的孔隙水壓力,降低了土顆粒骨架的連接強度本文根據(jù)福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質(zhì)條件,建立駁岸非飽和滲流計算模型,研究了降雨入滲對駁岸擋土墻后土體孔隙水壓力、應力、位移及塑性屈服區(qū)的影響;并結(jié)合強度折減有限元法,定量分析了降雨入滲對駁岸岸坡的穩(wěn)定性的影響,研究成果對駁岸岸坡的穩(wěn)定性評價及其加固具有理論及實際意義。1非飽和流損失控制方程式降雨入滲是指水分在土體非飽氣帶中的運動過程,入滲量取決于土體初始含水量、降雨強度、持續(xù)時間以及表面徑流量式中:σ2滑坡試驗本文計算將土體視為孔隙介質(zhì)材料,同時將節(jié)點位移和孔隙水壓力作為節(jié)點自由度,通過ABAQUS商業(yè)軟件進行降雨入滲下非飽和土滲流場和應力場的耦合分析。計算模型依托工程為福州晉安河駁岸JA5+500~JA5+545段。該段駁岸在2012年4月一場大雨期間發(fā)生滑坡破壞(如圖1),土體取樣后室內(nèi)試驗參數(shù)見表1,駁岸采用干砌條石擋土墻,頂部厚0.6m,高H=4.35m,面坡傾斜度為1∶0.3,仰斜墻背傾斜坡度為1∶0.123,計算模型及地質(zhì)情況如圖2。福州年降水量在1600mm~2200mm之間,降水量較大,且暴雨較多,持續(xù)時間較長,本文假設(shè)最大降雨強度為20mm/h,持續(xù)時間48h,降雨強度時間歷程如圖3所示,并假設(shè)駁岸土體初始孔隙比為1.0,基質(zhì)吸力與飽和度的關(guān)系參考文獻[5]。3降雨前后土體孔隙水壓力圖4、圖5為降雨前后駁岸孔隙水壓力及塑性屈服區(qū)分布圖。降雨入滲后,駁岸孔壓分布與降雨前的分布規(guī)律有明顯區(qū)別。駁岸浸潤線上升,草皮下部土體已處于飽和狀態(tài),吸力區(qū)消失;人行道下部土體的吸力區(qū)范圍減小,基質(zhì)吸力也有所減小。由于雜填土與粉黏土的材料屬性相差較大,且其下部位于浸潤線以下,這部分雜填土受力較為復雜、強度較低,在未降雨前就已經(jīng)破壞;降雨后,破壞區(qū)進一步擴展,并在擋土墻基礎(chǔ)部位出現(xiàn)小范圍塑性屈服區(qū),如圖5所示。降雨后,由于孔隙水壓力的增大,土顆粒骨架間的有效應力減小,對駁岸穩(wěn)定不利,駁岸整體有向河道變形的趨勢,其中水平向附加最大變形量達1.7cm,位于駁岸擋土墻頂部,如圖6所示。圖7為監(jiān)測點孔隙水壓力及豎向總應力時間歷程圖。從圖7可看出,A點孔隙水壓力變化與降雨過程一致,在降雨前12h,土體孔隙水壓力變化不明顯,12h后,降雨強度達到最大,孔隙水壓力也迅速增大,其中在29h時,A點孔隙水壓力為正,基質(zhì)吸力消失,說明A點土體已經(jīng)處于飽和狀態(tài);B點和C點位于A點底部,雨水入滲的滲透路徑較A點長,孔隙水壓力的變化滯后于A點。隨著降雨入滲,土體含水量增加,容重增大,土體豎向總應力也逐漸變大,如圖7所示。4折減系數(shù)k的影響為了定量評價降雨入滲對駁岸穩(wěn)定性的影響,本文采用強度儲備系數(shù)法,以屈服區(qū)貫通為判據(jù),分別計算降雨前后駁岸的安全系數(shù)。強度折減采用式(4)與式(5)等比例折減土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角式中:K圖8為駁岸塑性屈服區(qū)發(fā)展圖。從圖8可知,隨著折減系數(shù)K的增大,駁岸擋土墻基礎(chǔ)屈服區(qū)逐漸擴大,粉黏土屈服區(qū)向下發(fā)展,最終與擋土墻基礎(chǔ)屈服區(qū)貫通,擋土墻地基完全喪失承載力,駁岸擋土墻發(fā)生坍塌,因此認為駁岸的安全系數(shù)為1.07。降雨入滲條件下駁岸破壞規(guī)律與未考慮降雨影響時的規(guī)律基本一致(見圖8、圖9),但降雨入滲條件下的駁岸安全系數(shù)降低了0.07。根據(jù)文獻[1]及文獻[9]對穩(wěn)定性評價標準的規(guī)定,安全系數(shù)介于1.10~1.20時為基本穩(wěn)定狀態(tài),介于1.02~1.10時為潛在不穩(wěn)定狀態(tài),由于降雨入滲的影響,駁岸由基本穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)闈撛诓环€(wěn)定狀態(tài)。5降雨入滲對駁岸穩(wěn)定性的影響駁岸穩(wěn)定性受地基強度、水位漲落、回填土質(zhì)量等諸多因素影響,通過本文研究可以得到以下結(jié)論:(1)降雨入滲是影響駁岸穩(wěn)定的主要因素之一,降雨入滲條件下駁岸破壞規(guī)律與未考慮降雨影響時的規(guī)律基本一致。(2)降雨入滲后,駁岸浸潤線被抬高,土體的吸力區(qū)范圍減小,土顆粒骨架間的有效應力減小,對駁岸穩(wěn)定不利,駁岸整體有向河道變形的趨勢。降雨入滲增加了駁岸土體含水量,降低了土體基質(zhì)吸力和有效強度是造成駁岸附加