山地垂直阻隔墻施工對邊坡穩定性影響研究

包 偉，華俊杰，高林紅

(1.鎮江市規劃勘測設計集團有限公司，江蘇 鎮江 212000； 2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212000 )

0 前 言

隨著我國經濟快速發展，工業化和城市化進程不斷加速，土壤和地下水污染問題日益突出，嚴重違背可持續發展理念，通常采用垂直阻隔墻的方式來預防土壤和地下水污染的運移，由于大部分污染工廠建立在偏遠地區，不可避免地需要在山地污染場地進行垂直阻隔墻施工，垂直阻隔墻施工對邊坡穩定性的影響不容忽視。

目前，對邊坡和溝槽開挖的穩定性做了深入研究，并取得了大量成果。程燦宇等[1]采用強度折減法，對比研究了不同有限元軟件，邊坡穩定計算結果的差異。楊才等[2]采用ABAQUS有限元軟件，將塑性區貫通判據下的安全系數與計算不收斂和特征點位移發生拐點判據得出的安全系數進行對比，歸納出邊坡失穩時等效塑性應變達到的數量級。劉奉銀等[3]應用ABAQUS有限元軟件，模擬計算不同密度的泥漿以及泥漿分層后槽壁的位移，對槽壁穩定性進行了分析。溫世游等[4]采用有限元方法，模擬溝槽開挖中泥漿護壁的過程和效果，給泥漿護壁提供合理的濃度范圍。針對邊坡附近進行溝槽開挖的研究較少，秦坤元等[5]采用有限差分軟件FLAC3D，對削坡及基坑開挖支護進行模擬，分析了削坡、基坑開挖對臨近邊坡的影響。劉繼強等[6]運用數值分析方法，對不同距離下，邊坡對基坑的影響進行了分析，考察了邊坡與基坑之間合理的設計間距?？傊畬τ谶吰潞蜏喜坶_挖的穩定性研究，主要關注其中的某一方面，對于兩者相互影響的研究，也主要體現為基坑開挖與邊坡穩定性之間的相互影響，但垂直阻隔墻施工對邊坡穩定性影響的研究較少，因此有必要開展進一步研究。

本文以某山地污染場地垂直阻隔墻施工為背景，基于Midas GTS/NX有限元軟件，分析溝槽開挖對邊坡穩定性的影響，并確定一次性開槽長度，在開槽長度確定的基礎上，提出下一槽段開始施工的時間，給出了不同施工階段下，泥漿重度取值范圍。

1 工程概況

擬建垂直阻隔墻位于污染場地北側，呈東西走向，污染場地絕對標高為40.0 m，垂直阻隔墻位于邊坡平臺絕對標高33.0 m?？辈熨Y料顯示，施工場地范圍內地層自上而下依次為：雜填土、粉質黏土、強風化安山巖、中風化安山巖、石灰巖。部分鉆孔未見地下水，測得地下水位的鉆孔，水位位于孔口下0.7～13.5 m，水位隨地形起伏而變化。

2 三維模型的建立

模型計算范圍的控制原則為邊界條件不能過大地影響關心部位的計算結果，溝槽開挖可類似看成長條形基坑開挖，根據以往研究經驗，基坑數值計算時，模型外擴范圍宜不小于3倍基坑深度[7]，邊坡數值計算時，坡腳到模型側邊界為1.5倍坡高，坡頂到模型側邊界為2.5倍坡高，模型上下邊界為2倍坡高[8]。結合基坑和邊坡計算范圍的經驗規定，確定整體模型計算范圍為長120 m，寬108 m，土層計算深度為43 m。計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

模型側面限制其水平方向位移，下表面為固定邊界，上表面為自由邊界。土體和垂直阻隔墻采用實體單元模擬，泥皮采用板單元模擬，泥漿壓力與開槽深度呈正相關。修正摩爾-庫倫本構模型將卸載模量和加載模量加以區分，對于溝槽開挖過程，計算結果與工程實際更加接近，因此土體本構采用修正摩爾-庫倫模型[9]。具體計算參數見表1。

表1 土層及結構參數

根據垂直阻隔墻施工過程，數值模擬設置了四個施工工況：①初始地應力平衡；②溝槽開挖，激活泥皮和泥漿壓力；③已開挖段垂直阻隔材料澆筑；④下一槽段開挖，激活泥皮和泥漿壓力。

3 數值模擬結果分析

3.1 不同開槽長度對邊坡穩定性影響分析

MIDAS/GTS基于強度折減原理(SRM)自動搜索潛在滑動面并求得自然邊坡穩定安全系數為1.5，自然邊坡等效應變云圖如圖2所示。開槽長度為1.85、2.90、3.95 m時，邊坡穩定安全系數分別為1.49、1.48和1.47，雖然開槽長度在不斷增加，但邊坡穩定安全系數基本不變，說明局部的溝槽開挖，并不影響邊坡的整體穩定性。但邊坡穩定性體現的是整體滑移情況，并不能體現在開挖溝槽過程中，溝槽側壁因卸荷而產生較大位移，導致局部坍塌現象。

圖2 自然邊坡等效應變云圖

因此從塑性區、溝槽開挖所形成的水平位移以及地表沉降的角度對邊坡穩定性進行分析。由圖3塑性區范圍云圖可知，開槽長度為1.85 m和2.90 m時，塑性區范圍較小，而開槽長度為3.95 m時，塑性區范圍發展較大，在開槽深度為10.5～11.5 m的槽壁出現寬度為2.6 m的塑性區，表明該區域土體已被剪切破壞，易發生坍塌。

(a)1.85 m

(b)2.90 m

(c)3.95 m圖3 不同開槽長度的塑性區范圍云圖

由圖4(a)已開槽槽段水平位移變化曲線可知，隨著開槽長度的增加，水平位移逐漸增大，最大水平位移由15.3 mm增加到60.6 mm，與開槽長度1.85 m相比，開槽長度增加到2.90 m時，最大水平位移增大了6.0 mm，開槽長度增加到3.95 m時，最大水平位移增大了45.3 mm，且最大水平位移并未出現在槽底附近，而是出現在土質較差的雜填土層。由圖4b地表沉降變化曲線可知，隨著開槽長度的增加，已開槽槽段邊界處地表沉降逐漸增大，增大趨勢并非線性，而是當開槽長度1.85 m和2.90 m時，地表沉降比較接近，當開槽長度增加為3.95 m時，地表沉降相對較大。

(a)已開槽槽段水平位移變化曲線

(b)地表沉降變化曲線圖4 位移變化曲線

3.2 下一槽段開槽時間對邊坡穩定性的影響

在開槽長度2.90 m情況下，進行垂直阻隔材料澆筑，分別在澆筑材料齡期達到7、14、28 d時，進行下一槽段的開挖，計算得到下一槽段開挖范圍內水平位移云圖如圖5所示。由圖5(a)～(c)可知，隨著齡期的增加，下一開挖槽段范圍內的最大水平位移變化趨勢并不明顯，基本在20 mm左右，但從圖中可明顯看出，水平位移的大小分布發生了較大變化。若在齡期7 d或14 d時開挖下一槽段，則水平位移大于3 mm的范圍占比較大，占總面積的1.5%，若在齡期28 d時開挖下一槽段，則水平位移大于3 mm的范圍占比較小，占總面積的0.6%。

(a)7 d齡期

(b)14 d齡期

(c)28 d齡期圖5 開槽長度2.90 m時澆筑材料在不同齡期下水平位移圖

3.3 不同泥漿重度對邊坡穩定性的影響

上述分析過程，采用的泥漿重度均為12 kN/m3，針對泥漿重度的改變對邊坡穩定性的影響進一步開展研究，重復上述施工工況的模擬，分別設置泥漿重度為11 kN/m3和13 kN/m3。

由圖6(a)已開槽槽段水平位移變化曲線可知，一方面，在泥漿重度確定的情況下，成槽深度較淺的0～4 m，土體地應力并不算大，而泥漿護壁產生的側壓力也較小，所以成槽槽段水平位移雖然有所增大，但最大不超過5 mm，當成槽深度繼續增加，土體地應力逐漸增大，成槽槽段水平位移增長加快，直至進入巖石層，成槽槽段水平位移開始減小。在成槽深度約11 m時，成槽槽段水平位移達到最大值。另一方面，隨著泥漿重度的增加，成槽槽段水平位移略有減小，但整體變化不大。由圖6(b)可知，一方面，在泥漿重度確定的情況下，地表沉降類似于懸臂基坑的三角形沉降模式[10]，地表沉降最大值位于成槽槽段邊界處，地表沉降值隨著距成槽槽段邊界距離的增加而減小，當距離超過35 m后，地表沉降接近于零，影響相對較小。另一方面，隨著泥漿重度的增加，成槽槽段邊界處地表沉降反而有所增大，是因為伴隨著泥漿重度的增加，泥皮厚度也逐漸增加(在模擬時分別賦予了40、60、80 mm的屬性)，側摩阻力反而越來越小，導致地表沉降增大[11]，而且泥漿重度增大，也會使鉆進速度減慢，易造成清空不徹底，產生過量沉渣[12]。所以泥漿重度的增加并不能對開槽長度起到良好的影響，也不能使下一槽段的施工時間提前。

(a) 已開槽槽段水平位移變化曲線

(b)地表沉降變化曲線圖6 不同泥漿重度時位移變化曲線

4 結 論

1)在邊坡平臺處進行垂直阻隔成槽施工，當旋挖成孔數量為3孔和5孔時，最大水平位移較小，分別為15.3 mm和21.3 mm，而當旋挖成孔數量為7孔時，最大水平位移急劇增加，達到60.6 mm，即使有泥漿護壁，也存在塌孔危險。建議采用800 mm樁徑，縱橫搭接275 mm時，一次成孔數量為5孔。

2)當開槽長度確定時，在不同齡期情況下開挖下一槽段，下一槽段開挖范圍內水平位移的大小分布發生了較大變化。在齡期7 d或14 d時，水平位移大于3 mm的范圍占比較大，占總面積的1.5%，在齡期28 d時，水平位移大于3 mm的范圍占比較小，占總面積的0.6%。建議待澆筑完成28 d后，進行下一槽段的施工。

3)泥漿重度的增加，一定程度上可以減小開挖槽段的水平位移，但相應的，泥皮厚度也會增加，從而降低了側摩阻力，導致地表沉降增大，同時泥漿重度的增加，也會造成清空不徹底，產生過量沉渣。建議在前期鉆孔階段，泥漿重度可以保持在12～13 kN/m3，在后期清孔階段，盡可能控制在11～12 kN/m3。

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