水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡的應用研究

仲 曼,蔣紅俊,梁 音,李琴琴

(1.鎮江市勘察測繪研究院,江蘇鎮江 212000; 2.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡的應用研究

仲 曼1?,蔣紅俊1,梁 音2,李琴琴2

(1.鎮江市勘察測繪研究院,江蘇鎮江 212000; 2.河海大學巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

軟基邊坡處理中常采用水泥土攪拌樁復合地基。但受水平推力作用時樁體存在彎折效應且施工時易出現劣質層。本文采用水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡,采用數值分析的方法建立三維模型,分析加固前后邊坡的水平側移、沉降、應力、邊坡穩定性的變化,并深入的分析了連拱抗滑墻抗滑機理。研究表明連拱抗滑墻加固邊坡技術具有性能可靠、施工方便的優勢,在軟基邊坡加固領域具有廣闊的應用前景。

水泥土連拱抗滑墻;軟基邊坡;數值模擬;抗滑機理

1 引 言

我國地域遼闊,大部分地區存在軟土地基。在此類地基上進行土木工程活動,必然涉及軟弱土地基加固處理問題。如果采用水泥土攪拌樁作為支擋結構[1],抗滑樁樁體相當于底部嵌入地基的懸臂結構,樁頂在水平荷載作用下可產生較大位移,從而使樁體承受很大彎矩,發生彎折效應后其水平承載力就會喪失[2],或者由于軟土強度低,極限荷載作用下可出現土體繞樁流動[3]。而且,施工時容易出現劣質夾層,因而加固效果和可靠性不好。水泥土攪拌樁連拱抗滑墻[4]是近年剛提出的一種軟土邊坡加固結構形式。該結構在水平方向上設置平行抗滑墻,并通過依拱形排列的水泥土攪拌樁組成的拱壁將平行抗滑墻連成一體,通過合理的幾何布置和傳力機制發揮抵抗邊坡水平位移的作用。

本文以南水北調金湖站河堤邊坡加固為例,研究該結構的加固效果及其機理。壩頂設計高程15.0 m,場地內標高15.0 m～6.5 m為填土層。標高5.0 m～6.5 m為雜填土,工程性質一般;標高2.0 m～5.0 m為淤泥質粉質粘土,含水率大,強度低,壓縮性高;標高2.0 m及以下為粘性土,工程性質較好。結構斷面如圖1所示[5],淤泥質粉質粘土為軟弱土層,壓縮性高、強度低,邊坡整體穩定安全系數為0.7,按照規范規定[6],二級邊坡允許抗滑安全系數為1.25,不能滿足要求。

圖1 河堤斷面結構圖(單位/cm)

2 加固方案比選與分析

2.1 方案選擇

加固區域位于第一個坡腳下沿水平1 500 cm的長度范圍內,加固方案如下:方案①:以120 cm和160 cm間距布置梅花形水泥攪拌樁。樁體須進入粘土層中2 m;方案②:攪拌樁樁間搭接20 cm形成樁墻,墻厚70 cm,樁體進入粘土層中2 m。其單體構造主要包括:拱形墻和抗滑長墻。拱形墻構造采用180°的圓弧形,拱形墻半跨度為300 cm,抗滑墻長度為1 500 cm。水泥土連拱構造如圖2所示:

圖2 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻平面圖

2.2 模型數值計算

數值計算借助于有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),在軟件中,巖土體變形的變形參數采用的是剪切模量(G)和體積模量(K),各土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

圖3 方案①水泥土攪拌樁復合地基數值模型網格劃分

2.3 計算結果分析

不加固、方案①和②破壞時的安全系數分別為0.7、1.25、2.5;不加固、方案①和②最大豎向位移分別為0.38 m、0.2 m、0.07 m;不加固、方案①和②的最大側向位移分別為0.4 m、0.169 m、0.04 m;方案②邊坡塑性區貫通時破壞云圖如圖4所示,邊坡豎向位移和側向位移分布云圖如圖5、圖6所示。

圖4 方案②安全系數和破壞時云圖

圖5 方案②拱墻加固邊坡橫向位移分布云圖

圖6 方案②拱墻加固邊坡豎向位移分布云圖

方案①情況下,軟土區土的Sxz剪應力較大,最大為10 kPa,硬土區土的Sxz為30 kPa。方案②情況下,軟土區土的Sxz降低較快,最大為1 kPa,硬土區最大值為50.8 kPa。軟硬土層交界面處有明顯的應力集中。方案②相比方案①,軟土區的最大Sxz從10 kPa減小到1 kPa,硬土區的最大Sxz從30 kPa增大到50.8 kPa,連拱抗滑墻把軟土區受的水平應力通過墻底摩擦力向下傳入硬土層中,傳遞效果顯著,如圖7所示。

圖7 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固邊坡土體Sxz分布云圖(單位/Pa)

方案①和②兩種加固情況下軟基邊坡在不同深度特定位置處土體的剪應力Sxz變化規律如圖8、圖9所示。進一步看出,土的Sxz沿著邊坡深度的增加而逐漸增大,在硬土層達到最大;土的Sxz隨著離加固體端部的水平距離的增大而逐漸消減。這點說明水泥土攪拌樁連拱抗滑墻把軟土區受的水平應力通過側壁摩擦力向外側土體傳遞,效果顯著。

圖8 方案①邊坡不同水平剖面土體Sxz的變化規律圖

圖9 方案②邊坡不同水平剖面土體Sxz的變化規律圖

方案①和②的樁(樁墻)單元軟硬土層交界面處的彎曲應力分別0.37 MPa、1.25 kPa。可見方案①的樁單元要承受很大的彎曲應力,方案②由于拱結構的存在,將垂直于拱截面的水土壓力轉化為沿拱軸截面方向的軸壓力,可充分利用水泥土抗壓強度高的特性,有效避免樁身發生彎折破壞。圖10樁體彎曲應隨著樁長變化圖。

圖10 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻攪拌樁彎曲應隨著樁長變化圖

綜上可知,水泥土連拱抗滑墻結構可有效加固軟基邊坡,明顯減小側向位移以及控制沉降,顯著提高邊坡的整體穩定性。

3 攪拌樁連拱抗滑墻的抗滑機制

梅花形布置的攪拌樁,樁體進入硬土層中,樁體發揮水平向抗剪能力從而承擔整體抗滑作用,但因水泥土樁抗彎能力差容易產生彎折破壞從而削弱其水平抗滑能力。此外,梅花型分散布置攪拌樁攪拌工藝決定其容易形成劣質夾層從而降低水平抗剪能力;而連墻型攪拌樁墻質量容易保證,傳遞荷載可靠,這是單樁無法實現的。連拱抗滑墻方案加固邊坡軟基,能夠充分發揮結構抗滑能力;同時該結構型式水平截面抗彎能力大,基本不存在彎折問題。

湖泊面積大，岸線長，以高郵湖為例，760.67 km2的水域面積，僅僅依靠湖泊管理人員的眼觀腳量，不僅成本高、難度大，而且也很難準確掌握湖泊流域的綜合情況。

水泥土拱通過拱作用將堤體一部分拱外水平推力(土壓力)傳遞到水泥土長墻,另一部分水平推力直接傳遞到拱內土體中(拱內土體主要為軟土);水泥土長墻通過側壁接觸抗剪能力將一部分水平推力傳遞到墻內土體;長墻內軟弱土層最終將其承受的水平推力傳遞到下部硬土層和長墻外側土體;水泥土長墻插入硬土層部分主要通過側壁和墻底將一部分水平推力傳遞至下部硬土層。

由于軟土層強度較低,特別是在其快剪指標中摩擦分量很小,使得邊坡最危險圓弧滑面圓心角較大,表現為深大滑動面,滑坡體方量大,破壞性強;對于有限深軟土地基的邊坡,例如有限厚度軟土層的下臥層為較硬土層的地基,最危險滑面一般為相切于硬土層的復合滑動面,宏觀表現為寬大滑動破壞。對于有限深軟基的邊坡工程加固,規范要求攪拌樁加固深度穿越最危險滑面進入硬土層2 m以上[7]。當攪拌樁承受雙側不平衡土壓力作用時,軟硬土層交界面攪拌樁體抗剪而發揮抗滑能力。

為研究樁體截面的受力情況,建立水泥土攪拌樁加固邊坡簡化模型進行計算。攪拌樁有效樁長依據工程抗滑要求而定。此模型滿足兩個假設:①攪拌樁樁體呈懸臂變形特征;②水泥土攪拌樁樁體受土壓力呈三角水平力分布模式。在此假設基礎上,樁體受的最大彎矩是最小的,屬于最有利情況。設三角形分布時攪拌樁受得的最大土壓力為P,攪拌樁體的有效樁長為H,如圖11所示,水泥土攪拌樁復合地基平面布置如圖12所示,水泥土連拱抗滑墻平面布置如圖13所示。

圖11 水泥土攪拌樁加固邊坡簡化模型

圖12 水泥土攪拌樁復合地基 平面布置圖

圖13 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻平面布置圖

(1)水泥土攪拌樁復合地基單根樁抗滑力與最大剪應力的關系:

T=3τmaxA/4=3πd2τmax/16

當最大剪力Q等于抗滑力T時,樁體處于極限狀態:P=3πd2τmax/8H

σt,max=M/W=2Hπd2τmax/(πd3)=2Hπmax/d

得:τmax=σt,maxd/2H

水泥土的抗拉強度σt,max與無側限抗壓強度qu的關系:當qu＜1.5 MPa時,σt,max約等于0.2 MPa[8]。一般來說,水泥土攪拌樁由于受施工工藝影響,它的無側限抗壓強度qu比水泥土小些,約為1.0 MPa,那么取σt,max=0.2 MPa,H=5～15 m,d=650～1 000 mm,得:(τ/qu)max=0.02。

水泥土等效抗剪能力約為抗壓強度的百分之二,遠遠沒有發揮水泥土的抗剪性能。規范規定的水泥土τ與無側限抗壓強qu須介于1/2～1/5之間[8]。

(2)水泥土攪拌樁連拱抗滑墻構造與最大剪應力的關系:

T≈τmaxA/2=(2Ld+πRd)τmax/2

當最大剪力Q等于抗滑力T時,樁體處于極限狀態時:

式中σt,max、qu、H、d取值如上,L=11 m～15 m, R=2 m～5 m,得:(τ/qu)max=0.416。

水泥土等效抗剪能力約為抗壓強度的百分之四十幾,充分發揮了水泥土的抗剪性能[8]。

式中:T—截面抗滑力,W—抗彎截面模量,M—截面彎矩,Q—截面剪力,P—三角形分布時攪拌樁受的最大土壓力,τ—攪拌樁的剪應力,qu—攪拌樁的無側限抗壓強度,d—攪拌樁的直徑,H—攪拌樁的高度,τmax—攪拌樁的最大剪應力,σt,max—攪拌樁的最大拉應力,L—抗滑墻長度,R—拱形墻高跨比,D—攪拌樁高跨比,t—攪拌樁搭接長度,C—攪拌樁的凈間距,YC—拱形墻跨度中心到水泥土連拱抗滑墻中心的距離。

綜上所述,當采用插入硬土層的水泥土樁抗滑時,樁體發揮水平向抗剪能力從而承擔整體抗滑作用。當樁體處于極限狀態時,水泥土復合地基的樁體極容易產生剪切破壞從而影響加固效果。此外,水泥土攪拌樁復合地基單樁分散布置容易形成劣質夾層從而降低水平抗剪能力;而水泥土連拱抗滑墻質量容易保證,傳遞荷載可靠,這是單樁無法實現的。經上述驗證,水泥土攪拌復合地基不能充分發揮水泥土的抗剪性能而水泥土攪拌樁連拱抗滑墻構造能夠充分發揮水泥土抗剪性能。

4 結 論

對于軟基邊坡工程的加固處理,本文采用一種新型的加固結構——水泥土攪拌樁連拱抗滑墻。通過對傳統水泥土攪拌樁復合地基和連拱抗滑墻兩種加固結構受力分析及三維有限元數值分析,深入的研究和探討了水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固結構受力特征、土壓力荷載傳遞規律、變形特點。

研究表明,在同等條件下,水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固邊坡優于水泥土攪拌樁復合地基,由于樁體連續,單個樁體隨機分布的劣質層不會顯著削弱抗滑墻整體抗滑能力,受施工過程成樁質量影響較小;該結構型式水平截面抗彎能力大,基本不存在彎折問題,抗彎剛度更大、受力更合理,能夠有效的發揮水泥土抗壓和抗剪性能,避免出現樁身拉應力和彎折破壞;控制位移變形更加顯著,用于邊坡加固整體穩定性更好。

水泥土連拱抗滑墻受力機理為:水泥土連拱抗滑墻構造通過拱形作用將坡體一大部分拱外水平推力傳遞到水泥土抗滑墻,另一小部分水平推力直接傳遞到拱內土體中;水泥土連拱抗滑墻構造將其承受的水平推力主要通過側壁和墻底傳遞到下部硬土層和外側土體中。

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[4] 李守德,張福海.用于邊坡加固的水泥土長墻連拱構造[P].中國專利:CN102444133A,2012-05-09.

[5] 梁音.水泥土抗滑墻在邊坡加固中的應用研究[D].南京:河海大學,2013.

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[7] JGJ 79-2012.建筑地基處理技術規范[S].

[8] 林靖,李超,左宇寧.基坑工程手冊第二版:水泥土重力式圍護墻的設計與施工[M].西安:中國建筑工業出版社.

[9] 李琴琴.水泥土攪拌樁連拱抗滑墻在軟基邊坡加固中的應用研究[D].南京:河海大學,2012.

Research on the Application of Cement-soil Arched Walls in the Anti-slide Reinforcement of Soft Ground Embankment

Zhong Man1,Jiang Hongjun1,Liang Yin2,Li Qinqin2
(1.Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute,Zhenjiang 212000,China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In the soft subsoil of slope,soil cement piles will bear lateral forces from slope sliding potential,which will cause pile crack because of poor tension strength of soil cement.A new structure of cement-soil mixing pile is raised to improve the anti-slide reinforcement of soft ground embankment.The numerical simulation method is employed to analyze the structure by the dimensional models.Referring to the analysis of the results,displacement,settlement,stress, slope stability conditions after reinforcement.The cement-soil arched walls could make well performance and convenient construction.There is a great application prospect in fields of soft ground slope reinforcement.

cement-soil arched walls;soft-based embankment;numerical simulation;anti-slide mechanism

2014—04—02

仲曼(1986—),男,助理工程師,主要從事巖土工程勘察及巖土設計等工作。