含軟弱夾層基礎刻槽置換效果研究

黃躍群，首建威

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

混凝土刻槽置換、貼坡等手段雖然在工程實踐中應用廣泛，但對于其作用效果的檢測目前尚處于定性和經驗階段，采用模型試驗或數值計算對其進行定量研究的相關文獻還較為少見。本文結合實際工程，采用有限元方法對這些常見的基礎軟弱夾層處理方法進行分析研究，并初步探討了刻槽置換與其他工程措施 （如平硐、貼坡）進行組合后的效果，以期為工程設計提供更為合理的建議和有效的措施。

某水電站工程通航建筑物為一級垂直吊升船機，土建主體工程主要由20根墩柱 （其中上游6根，下游12根，引航壩段2根）和20根軌道梁組成。在上游引航道開挖過程中，排架柱下部坡面上出露有厚約2.5～4.0 m的泥巖夾層，巖性為紫紅色夾綠色團塊粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，沿上、下游方向展布，傾角約30°。考慮到該區域處于水下，而泥巖夾層遇水浸泡軟化，可能會造成升船機排架柱變形過大，引發邊坡失穩。為此，對排架柱基礎采用整底板澆筑，并對泥巖夾層采用刻槽置換。為研究混凝土刻槽置換的處理效果，采用數值計算方法加以驗證。

1 計算模型及荷載

1.1 計算模型

建立升船機排架柱邊坡基礎三維有限元模型，如圖1。為了簡化所研究的問題同時又保證結果的可靠性，本模型選取上游邊坡做分析，模擬上游6根排架柱Z1～Z6區域78 m×90 m×98 m范圍。模型節點總數約8 218個，單元總數約6 596（個不同模型之間略有不同），由8節點六面體單元和6節點五面體單元組成。計算所采用的材料參數見表1。

1.2 計算荷載

計算考慮的荷載包括地應力 （等效于無外力作用時的山體自重應力）、自重荷載以及排架柱作用在基礎上的荷載 （見表2）。選用德魯克 （Drucker-Prager）本構模型，邊界采用簡支約束。

圖1 升船機排架柱基礎有限元模型

表1 材料參數

表2 排架柱計算荷載 106N

1.3 等效塑性應變

采用等效塑性應變 （PEEQ）指標評價材料是否進入塑性狀態及其程度。當PEEQ≥1×10-5時，材料進入塑性強化狀態；反之，則材料仍處于彈性狀態。

等效塑性應變 （PEEQ）在數學上表示為

2 計算結果分析

本文共對比分析研究了3組不同情況對結構的影響，分別為：①不處理與采用刻槽置換對軟弱夾層及基礎穩定性的影響；②平硐對軟弱夾層以及基礎穩定性的影響；③貼坡對軟弱夾層以及基礎穩定性的影響。

2.1 刻槽置換效果分析

圖2 基礎不刻槽置換最小主應力云圖

若排架柱基礎采用整底板澆筑，但對粉砂質泥巖夾層不進行混凝土刻槽置換，基礎的變形以及最小主應力見圖2（圖中變形放大2 000倍）。從圖2可以看出，在外荷載的作用下，泥巖夾層在坡面出露位置最小主應力一般不大于0.5 MPa。此時泥巖夾層的等效塑性應變云圖見圖3，圖中顏色較淺部分為PEEQ≥1×10-5的區域，即認為是材料進入塑性強化狀態的區域。從圖中可以看出，基巖大部分區域處于彈性狀態，只有泥巖夾層上存在進入塑性狀態的區域。

圖3 基礎不刻槽置換等效塑性應變云圖

若對泥巖夾層采用混凝土置換，刻槽深度為1倍夾層厚度，約3～4 m深。可得到此時的排架柱基礎變形及最小主應力云圖見圖4（圖中變形放大2 000倍）。從圖4可以看出，刻槽置換對基礎的整體應力影響不大。

圖4 基礎刻槽置換最小主應力云圖

刻槽置換后的泥巖夾層等效塑性應變 （PEEQ）云圖見圖5。對比圖3可以看出，刻槽置換后基礎泥巖夾層的塑性強化區域比未刻槽置換時減小了很多，前者約為后者面積的1/3。這說明，采用混凝土置換可以有效地改善基礎以及軟弱夾層應力條件，降低軟弱夾層的破壞程度。對于工程上含軟弱夾層的基礎處理來說，混凝土刻槽置換是一種行之有效的辦法。

圖5 基礎刻槽置換等效塑性應變云圖 （f=0.7）

2.2 平硐對刻槽效果的影響

為分析有無平硐對刻槽置換效果的影響，建立帶平硐的混凝土刻槽置換模型，與刻槽混凝土形成“T”形；平硐深度約為3～5倍刻槽深。

此時軟弱夾層的等效塑性應變云圖見圖6。對比圖5可以看出，在縱向刻槽置換的同時采用橫向的平硐，泥巖夾層的塑性區有所減小，但等效塑性應變的最大值稍有增大，從1.761×10-4變為2.019×10-4，局部區域應力條件有所變壞。

圖6 在中部設平硐時夾層等效塑性應變云圖

2.3 貼坡對刻槽效果的影響

工程中對邊坡的處理常采用貼坡混凝土，一則可以護坡，二則可以起到延長滲徑從而保護邊坡不受滲流破壞的作用。現研究貼坡對刻槽置換效果的影響。

在不分縫情況下，基礎軟弱夾層的等效塑性應變云圖見圖7a。對比圖3可以看出，刻槽并采用貼坡混凝土后，軟弱夾層的塑性區范圍較不處理時沒有較明顯變化，但是在坡面附近，軟弱夾層不存在任何塑性區。這說明貼坡混凝土能夠有效地改善淺層巖體的應力條件，但對深部巖石的影響不大。

在分縫情況下，基礎軟弱夾層的等效塑性應變云圖見圖7b。從圖7b中可以看出，軟弱夾層的塑性區較之未分縫時略有減小，深層部位的應力條件有所改善，說明采用分縫的方式將基礎變形較大部位與貼坡隔離開來，對改善軟弱夾層應力條件有利。

圖7 貼坡加刻槽置換工況軟弱夾層等效塑性應變云圖

3 結論

（1）對于含軟弱夾層的基礎處理，采用混凝土刻槽置換的方法可以有效地改善夾層的應力情況，降低軟弱夾層受破壞的程度。

（2）在刻槽的同時增設平硐，在一定程度上能加強刻槽置換效果。

（3）貼坡混凝土與承重基礎不分縫時，受承重基礎變形影響，貼坡混凝土可能會在一定程度上削弱混凝土置換塊的效果。但是，貼坡會顯著改善貼坡附近淺層巖體的應力條件，減少坡面處淺層巖體的塑性區范圍。考慮到貼坡可以同時改善邊坡滲流破壞，在應用貼坡時，應適當分縫，同時加強貼坡與基巖的整體性，如增設錨索、錨桿，在坡腳設置齒槽或壓腳以加強對貼坡的防護。

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