山地垂直阻隔墙施工对边坡稳定性影响研究

包 伟，华俊杰，高林红

(1.镇江市规划勘测设计集团有限公司，江苏 镇江 212000； 2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212000 )

0 前 言

随着我国经济快速发展，工业化和城市化进程不断加速，土壤和地下水污染问题日益突出，严重违背可持续发展理念，通常采用垂直阻隔墙的方式来预防土壤和地下水污染的运移，由于大部分污染工厂建立在偏远地区，不可避免地需要在山地污染场地进行垂直阻隔墙施工，垂直阻隔墙施工对边坡稳定性的影响不容忽视。

目前，对边坡和沟槽开挖的稳定性做了深入研究，并取得了大量成果。程灿宇等[1]采用强度折减法，对比研究了不同有限元软件，边坡稳定计算结果的差异。杨才等[2]采用ABAQUS有限元软件，将塑性区贯通判据下的安全系数与计算不收敛和特征点位移发生拐点判据得出的安全系数进行对比，归纳出边坡失稳时等效塑性应变达到的数量级。刘奉银等[3]应用ABAQUS有限元软件，模拟计算不同密度的泥浆以及泥浆分层后槽壁的位移，对槽壁稳定性进行了分析。温世游等[4]采用有限元方法，模拟沟槽开挖中泥浆护壁的过程和效果，给泥浆护壁提供合理的浓度范围。针对边坡附近进行沟槽开挖的研究较少，秦坤元等[5]采用有限差分软件FLAC3D，对削坡及基坑开挖支护进行模拟，分析了削坡、基坑开挖对临近边坡的影响。刘继强等[6]运用数值分析方法，对不同距离下，边坡对基坑的影响进行了分析，考察了边坡与基坑之间合理的设计间距。总之对于边坡和沟槽开挖的稳定性研究，主要关注其中的某一方面，对于两者相互影响的研究，也主要体现为基坑开挖与边坡稳定性之间的相互影响，但垂直阻隔墙施工对边坡稳定性影响的研究较少，因此有必要开展进一步研究。

本文以某山地污染场地垂直阻隔墙施工为背景，基于Midas GTS/NX有限元软件，分析沟槽开挖对边坡稳定性的影响，并确定一次性开槽长度，在开槽长度确定的基础上，提出下一槽段开始施工的时间，给出了不同施工阶段下，泥浆重度取值范围。

1 工程概况

拟建垂直阻隔墙位于污染场地北侧，呈东西走向，污染场地绝对标高为40.0 m，垂直阻隔墙位于边坡平台绝对标高33.0 m。勘察资料显示，施工场地范围内地层自上而下依次为：杂填土、粉质黏土、强风化安山岩、中风化安山岩、石灰岩。部分钻孔未见地下水，测得地下水位的钻孔，水位位于孔口下0.7～13.5 m，水位随地形起伏而变化。

2 三维模型的建立

模型计算范围的控制原则为边界条件不能过大地影响关心部位的计算结果，沟槽开挖可类似看成长条形基坑开挖，根据以往研究经验，基坑数值计算时，模型外扩范围宜不小于3倍基坑深度[7]，边坡数值计算时，坡脚到模型侧边界为1.5倍坡高，坡顶到模型侧边界为2.5倍坡高，模型上下边界为2倍坡高[8]。结合基坑和边坡计算范围的经验规定，确定整体模型计算范围为长120 m，宽108 m，土层计算深度为43 m。计算模型如图1所示。

图1 有限元模型

模型侧面限制其水平方向位移，下表面为固定边界，上表面为自由边界。土体和垂直阻隔墙采用实体单元模拟，泥皮采用板单元模拟，泥浆压力与开槽深度呈正相关。修正摩尔-库伦本构模型将卸载模量和加载模量加以区分，对于沟槽开挖过程，计算结果与工程实际更加接近，因此土体本构采用修正摩尔-库伦模型[9]。具体计算参数见表1。

表1 土层及结构参数

根据垂直阻隔墙施工过程，数值模拟设置了四个施工工况：①初始地应力平衡；②沟槽开挖，激活泥皮和泥浆压力；③已开挖段垂直阻隔材料浇筑；④下一槽段开挖，激活泥皮和泥浆压力。

3 数值模拟结果分析

3.1 不同开槽长度对边坡稳定性影响分析

MIDAS/GTS基于强度折减原理(SRM)自动搜索潜在滑动面并求得自然边坡稳定安全系数为1.5，自然边坡等效应变云图如图2所示。开槽长度为1.85、2.90、3.95 m时，边坡稳定安全系数分别为1.49、1.48和1.47，虽然开槽长度在不断增加，但边坡稳定安全系数基本不变，说明局部的沟槽开挖，并不影响边坡的整体稳定性。但边坡稳定性体现的是整体滑移情况，并不能体现在开挖沟槽过程中，沟槽侧壁因卸荷而产生较大位移，导致局部坍塌现象。

图2 自然边坡等效应变云图

因此从塑性区、沟槽开挖所形成的水平位移以及地表沉降的角度对边坡稳定性进行分析。由图3塑性区范围云图可知，开槽长度为1.85 m和2.90 m时，塑性区范围较小，而开槽长度为3.95 m时，塑性区范围发展较大，在开槽深度为10.5～11.5 m的槽壁出现宽度为2.6 m的塑性区，表明该区域土体已被剪切破坏，易发生坍塌。

(a)1.85 m

(b)2.90 m

(c)3.95 m图3 不同开槽长度的塑性区范围云图

由图4(a)已开槽槽段水平位移变化曲线可知，随着开槽长度的增加，水平位移逐渐增大，最大水平位移由15.3 mm增加到60.6 mm，与开槽长度1.85 m相比，开槽长度增加到2.90 m时，最大水平位移增大了6.0 mm，开槽长度增加到3.95 m时，最大水平位移增大了45.3 mm，且最大水平位移并未出现在槽底附近，而是出现在土质较差的杂填土层。由图4b地表沉降变化曲线可知，随着开槽长度的增加，已开槽槽段边界处地表沉降逐渐增大，增大趋势并非线性，而是当开槽长度1.85 m和2.90 m时，地表沉降比较接近，当开槽长度增加为3.95 m时，地表沉降相对较大。

(a)已开槽槽段水平位移变化曲线

(b)地表沉降变化曲线图4 位移变化曲线

3.2 下一槽段开槽时间对边坡稳定性的影响

在开槽长度2.90 m情况下，进行垂直阻隔材料浇筑，分别在浇筑材料龄期达到7、14、28 d时，进行下一槽段的开挖，计算得到下一槽段开挖范围内水平位移云图如图5所示。由图5(a)～(c)可知，随着龄期的增加，下一开挖槽段范围内的最大水平位移变化趋势并不明显，基本在20 mm左右，但从图中可明显看出，水平位移的大小分布发生了较大变化。若在龄期7 d或14 d时开挖下一槽段，则水平位移大于3 mm的范围占比较大，占总面积的1.5%，若在龄期28 d时开挖下一槽段，则水平位移大于3 mm的范围占比较小，占总面积的0.6%。

(a)7 d龄期

(b)14 d龄期

(c)28 d龄期图5 开槽长度2.90 m时浇筑材料在不同龄期下水平位移图

3.3 不同泥浆重度对边坡稳定性的影响

上述分析过程，采用的泥浆重度均为12 kN/m3，针对泥浆重度的改变对边坡稳定性的影响进一步开展研究，重复上述施工工况的模拟，分别设置泥浆重度为11 kN/m3和13 kN/m3。

由图6(a)已开槽槽段水平位移变化曲线可知，一方面，在泥浆重度确定的情况下，成槽深度较浅的0～4 m，土体地应力并不算大，而泥浆护壁产生的侧压力也较小，所以成槽槽段水平位移虽然有所增大，但最大不超过5 mm，当成槽深度继续增加，土体地应力逐渐增大，成槽槽段水平位移增长加快，直至进入岩石层，成槽槽段水平位移开始减小。在成槽深度约11 m时，成槽槽段水平位移达到最大值。另一方面，随着泥浆重度的增加，成槽槽段水平位移略有减小，但整体变化不大。由图6(b)可知，一方面，在泥浆重度确定的情况下，地表沉降类似于悬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边界处，地表沉降值随着距成槽槽段边界距离的增加而减小，当距离超过35 m后，地表沉降接近于零，影响相对较小。另一方面，随着泥浆重度的增加，成槽槽段边界处地表沉降反而有所增大，是因为伴随着泥浆重度的增加，泥皮厚度也逐渐增加(在模拟时分别赋予了40、60、80 mm的属性)，侧摩阻力反而越来越小，导致地表沉降增大[11]，而且泥浆重度增大，也会使钻进速度减慢，易造成清空不彻底，产生过量沉渣[12]。所以泥浆重度的增加并不能对开槽长度起到良好的影响，也不能使下一槽段的施工时间提前。

(a) 已开槽槽段水平位移变化曲线

(b)地表沉降变化曲线图6 不同泥浆重度时位移变化曲线

4 结 论

1)在边坡平台处进行垂直阻隔成槽施工，当旋挖成孔数量为3孔和5孔时，最大水平位移较小，分别为15.3 mm和21.3 mm，而当旋挖成孔数量为7孔时，最大水平位移急剧增加，达到60.6 mm，即使有泥浆护壁，也存在塌孔危险。建议采用800 mm桩径，纵横搭接275 mm时，一次成孔数量为5孔。

2)当开槽长度确定时，在不同龄期情况下开挖下一槽段，下一槽段开挖范围内水平位移的大小分布发生了较大变化。在龄期7 d或14 d时，水平位移大于3 mm的范围占比较大，占总面积的1.5%，在龄期28 d时，水平位移大于3 mm的范围占比较小，占总面积的0.6%。建议待浇筑完成28 d后，进行下一槽段的施工。

3)泥浆重度的增加，一定程度上可以减小开挖槽段的水平位移，但相应的，泥皮厚度也会增加，从而降低了侧摩阻力，导致地表沉降增大，同时泥浆重度的增加，也会造成清空不彻底，产生过量沉渣。建议在前期钻孔阶段，泥浆重度可以保持在12～13 kN/m3，在后期清孔阶段，尽可能控制在11～12 kN/m3。

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