河岸崩塌土压力临界值计算方法研究

2017-07-12马东晓王海林

中国石油大学胜利学院学报 2017年2期

关键词：土体边坡变化

马东晓,刘泽,王海林

(1.黄河河口管理局, 山东东营 257000; 2.滨州黄河河务局, 山东滨州 256600)

河岸崩塌土压力临界值计算方法研究

马东晓1,刘泽1,王海林2

(1.黄河河口管理局, 山东东营 257000; 2.滨州黄河河务局, 山东滨州 256600)

河岸崩塌破坏是河道治理及水环境治理方面面临的一个非常重要的工程地质问题,严重威胁两岸人民的生命及财产安全,如何提前做出判断,将为避险抢险提供有利时间,能有效减少损失。采用预埋振弦式土压力盒的方法对河岸的土压力进行研究,考虑河岸坍塌过程中的土压力变化,利用渗流作用下边坡自稳临界高度,结合库仑土压力定理得到河岸土压力临界值的计算方法,得到河岸坍塌的土压力临界值,为河岸坍塌预警提供一些有价值的参考。

河岸坍塌;饱和土;压力;临界值

河岸崩塌破坏是河道治理及水环境治理方面面临的一个非常重要的工程地质问题[1],严重威胁着两岸人民的生命及财产安全,如何确定河岸崩塌临界值对于应对河岸崩塌有很强的工程应用价值。河岸崩塌是土质变化(内因)和河流侵蚀(外因)等多种因素造成的[2]。关于河岸崩塌机理方面的研究较为广泛,如黄本胜等[3]考虑到黏性河岸可能发生旋转及平面崩塌,将概率分析方法应用到崩塌纵向延伸。宗全利等[4]采用荆江河岸材料,进行崩塌过程中的概化水槽试验,分析了崩塌过程及机理。夏军强等[5]针对河岸崩塌分析,提出了二元结构河岸发生绕轴崩塌情况下的河岸稳定性计算方法。赵志达[6]采用卡丘金预测方法,对河岸坍塌高度进行了预测。假冬冬[7]基于河岸坍塌力学机制,建立了黏性河岸及二元结构河岸的坍塌模型。他们的研究工作多集中于河岸崩塌机理分析及数值模拟。当岸坡土黏性较大,河岸淘刷或河床下切,河岸较陡或呈直立状态,河岸内部的应力场将会发生一定的变化,河岸稳定性也将发生变化。河岸内部应力场的变化类似于挡土墙主动应力场的变化特点,河床冲刷下切后的河岸崩塌机理可以利用挡土墙的破坏原理进行解释。本文中采用预埋振弦式土压力盒的方法对河岸的土压力进行研究,考虑河岸坍塌过程中的土压力变化,利用渗流作用下边坡自稳临界高度,结合库仑土压力定理得到河岸土压力临界值的计算方法,提出河岸坍塌的土压力临界值,为河岸坍塌预警提供一些有价值的参考。

1 试验方法

1.1 试验地点

本次试验地点位于山东东营某段河岸。勘察资料揭示该河道处于冲洪积平原地区,主要包含淤泥、亚黏土及黏土等土层,河岸土层基本物理力学指标见表1。主要是在人工填土层、淤泥层及黏土层进行试验。

1.2 数值模拟

有限元模拟分析采用ABAQUS软件,利用有限元强度折减法对河岸边坡进行稳定性分析。考虑岸坡后缘水平,土体为单层均质各向同性的黏性土。根据一般土体的物理力学性质定义此处河岸土体参数,密度为1.9 g/cm3,弹性模量为10 MPa,泊松比为0.25,内摩擦角为21°,黏聚力为20 kPa,土体采用摩尔-库仑强度准则。取定模型高度为15 m,长度为15 m,宽度为15 m,取定上表面和河岸临空面为活动面,其他面为固定边界,建立三维地质模型。模型中定义岸坡重力荷载时采用gravity load载荷类型,采用六面体扫掠方式划分网格模型。

表1 河岸土的物理力学参数

1.3 原位监测

为了研究河岸崩塌土压力临界值,本次试验对拟研究河岸采用预埋压力盒的方法进行监测,试验采用长沙翔昊生产的XHX-403振弦式土压力盒,见图1(a)。具体试验过程为:

(1) 为了保证试验结果的可靠性,试验前需要对压力盒进行标定;

(2) 选取预埋地点,并利用钻机钻孔,钻孔直径为15 cm,钻孔深度分别为15、12、9、6 m;

(3) 钻孔完毕后将压力盒用尼龙布包裹,然后将压力盒绑扎在钻杆上,保持压力盒正面朝上并与地面保持平行,见图1(b);

(4) 将压力盒放入预设位置(15、12、9、6 m),并结合土层深度分层填入相应土球,抽出钻杆,继续分层回填土球;

(5) 在自然条件下静置一周,保证回填的土球沉降完毕,然后测试土压力值变化及坍塌高度测量。

图1 压力盒型号及压力盒位置

2 结果及其分析

2.1 河岸变化情况

进行试验的土层以黏土为主,且试验时间为多水期,河岸在监测过程中由于河水不断的冲刷发生了坍塌。开始阶段河岸由于河水的下切侵蚀慢慢将河岸腹部掏空,土体自身由于水分不断侵入而发生土质的变化,主要是土体内部的含水量逐渐变大,造成了土颗粒之间的胶结力及吸力逐渐降低,掏空部分的上部土体由于重力的作用而不断下落,造成了上部土体全部流失,随着河水的继续侵蚀,河岸后缘出现了拉裂缝,裂缝的宽度随着侵蚀的时间不断增加,最后后缘的土体发生了失稳破坏即坍塌,落入水中被水带走,具体的侵蚀过程见图2。

图2 河岸形状变化

2.2 数值模拟结果

本次ABAQUS有限元模拟以数值计算不收敛为边坡失稳判据。对岸坡在无水流作用下的自重应力场进行分析,自重应力场如图3所示。从图3中可以看出,在边坡坡顶,随着深度加深,竖直应力(自重应力)呈增大状态,主要原因是河岸在整个过程中处于一种吸水状态,河水源源不断地沿着微缝隙渗入土中,含水率的增大造成了土体整体相对重度的提高,即在竖直方向上变相提供了一个竖向荷载。岸坡的最大水平位移在岸坡与河床的中下部出现。最大的正水平位移则在坡顶点处出现。同时,可以看出,最大的沉降(竖向位移)出现在岸坡的后缘,且呈现从坡顶到坡底依次递减的趋势。岸坡的最大渗流流速在坡脚附近,所以坡脚是渗流作用影响最大的部位也是最容易出现破坏的部位。从水流冲刷的位移云图可以看出,岸坡的最大负水平位移集中于岸坡的坡脚处,随着负水平位移的增大,使得坡脚发生局部滑动破坏的可能性增加,导致岸坡整体失稳。

图3 河岸在水流冲刷过程中的应力与位移变化

2.3 土压力变化情况

本次进行的原位土压力监测的周期为14 d,利用智能读数仪(SZZX-ZHX型)每天读取数据两次。根据标定系数将读数仪中的位移变形量转变成压力值,4个压力盒的压力变化情况如图4所示。随着监测时间增加,土压力呈现先增大后减小的趋势。在监测的前三天,埋置深度较浅的压力盒监测到的数据变化趋势较缓;随着埋置深度增加,压力盒监测到的数据变化较为明显,主要原因是河水的侵蚀使土中的水分增加,土体的整体重度提高,造成土压力增大。而随着监测时间增加,河岸遭到河水的侵蚀,部分土体被带走,但是土压力的整体值未减小太多,主要是因为此时土体之间的裂缝慢慢增大,更多的水分渗入土中造成土体的重度增大。当带走的土体达到一定程度时,岸坡发生破坏,也就是曲线的第二个拐点处,大量的土体掉入河中被带走,此时的土压力值变化较为明显。

图4 土压力监测值

3 讨论

从土压力监测结果可以看出,随着监测时间增加,土压力呈现先增大后减小的趋势。这种变化主要与土体的流失及土体相对重度的增加有关。当监测时间达到第二个拐点时土压力的变化较为剧烈,主要是河岸损失的土体远远大于渗入的水分,即河岸在此时发生坍塌,因此此时坍塌土体的高度为临界高度,此时的土压力值是临界土压力值。4种埋置深度情况下的临界土压力为144、112、78、41 kPa。这种差异主要是由于土压力的埋置深度不一样,造成压力盒上部的土体由于重度不同及内摩擦角不同,使得底部压力不同。为了求得河岸坍塌的临界土压力值,根据渗流作用下边坡自稳临界高度[8],结合库仑土压力定理得到: