堤防裂縫成因及加固方案優化研究

張士平 師昀巍 羅先啟

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，臺州 317200；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

0 引言

堤防工程作為我國防洪工程體系的重要組成部分，能夠有效抵御洪水的侵襲，但由于我國堤防工程建設歷史久遠，隨著堤防服役使用時間的推移，其在運行期間可能遭遇各類險情，如散浸、裂縫、管涌、滲漏、滑坡等，嚴重威脅堤防工程的安全［1-3］。裂縫作為堤防險情中常見的一種，其成因復雜，危害較大，通常會引起堤防的滲透變形，嚴重影響結構強度和耐久性指標，折損工程的使用壽命，對裂縫成因的分析及加固方案的研究具有重要的社會效益。

以往對于堤防裂縫成因以定性分析為主，多通過現場監測和試驗方法對裂縫形成機制和原因進行推斷。吳偉功等［4］通過室內試驗對黃河大堤某堤段堤身土體力學參數進行了研究，結果表明歷次堤身加高、培厚存在施工質量差、碾壓不實等情況，使得堤身填土質量普遍較差，為堤身裂縫的產生留下了隱患。胡崢嶸等［5］對長江大堤堤頂裂縫進行現場觀測，從設計、施工及堤防實際運行情況等方面進行分析。分析結果表明，堤基軟弱土層及水塘河道等薄弱處承受不住上部新填土的豎向力及下切力，造成新老堤防之間的不均勻沉降是導致堤頂產生裂縫的最主要原因。李薦華等［6］基于兩個水文年的堤防位移與沉降監測數據，對長江濟益公堤裂縫形成原因進行了分析，結果表明，水位升降、結構性軟土、上部結構荷載三者的綜合作用導致了堤頂裂縫的產生。堤防裂縫成因定量分析成果較少，有代表性的有沈細中和馮夏庭［7］利用有限元方法模擬標準化堤防施工過程，進行了多種特定工況分析，計算結果能夠反映堤身裂縫擴展過程，且與實際情況相符。

目前堤防和路堤工程中軟基加固常用方法有換填法、強夯法、預壓法、化學加固法和復合地基法等［8-11］。其中復合地基法是指將一部分天然地基進行人工置換或者人工加強，通過人工處理后的地基增強體與原有天然地基形成復合地基，共同承擔外部荷載的一種人工地基［12］。水泥土攪拌樁是復合地基的一種，使用水泥作為固化劑，在地基深處將軟土與固化劑進行攪拌，通過固化劑與軟土之間產生的物理化學反應，使得土體強度大大提高。且因其可充分利用地基土，對地基擾動小，同時加固形式多樣、造價低廉、污染小和施工便捷等特點，在堤防加固中也得到了廣泛的應用［13-15］。王桂智等［16］總結歸納了水泥土攪拌樁在堤防加固工程中的方案設計思路，并結合工程實踐對樁土分離原理及復合地基強度等效原理下的抗滑穩定計算方法進行了驗證和比較，計算思路及方法對于同類型堤防地基處理問題能起到很好的借鑒作用。朱俊樸等［17］以湛江大道為工程背景，建立了路堤-地基-水泥土攪拌樁的有限元模型，研究了路基沉降變形規律。研究結果表明樁長對于降低工后沉降效果并不顯著；工后沉降隨著樁體置換率增大而減小，但當置換率超過一界限值后對于減小工后沉降效果并不明顯。

本文基于廣東某堤防工程實例，利用ABAQUS建立彈塑性模型，模擬了早期堤防施工過程，結合現場勘測結果與有限元模擬結果，對裂縫成因進行了分析。而后對除險加固方案進行了優化，并論證了方案的適用性和經濟性。

1 工程概況

廣東某堤防工程全長32 km，是堤路結合的構筑物，堤防工程級別為2級，堤頂道路等級標準為三級公路及城市次干路，設計防洪標準為100年一遇。經過多年的使用運行，堤頂路面目前出現了許多裂縫，有縱縫，也有橫縫，其中縱縫較多。根據現場踏勘，初步判定多數裂縫為貫穿縫，對堤防的正常運行造成威脅。

項目建設的主要內容為對樁號14+230～15+030堤段進行裂縫除險加固，除險加固堤堤段總長約800 m。初步擬定的方案為挖除堤頂2.5 m土體，對開挖層以下部分堤身利用11 m長間距1.2 m×1.2 m水泥土攪拌樁進行加固處理，水泥土攪拌樁施工斷面圖如圖1所示。其中，樁號14+410～14+490，共80 m堤段由于受到橋底高度限制，改用高壓旋噴樁處理，直徑及長度不變，間距改為1.5 m×1.5 m，最后回填土并鋪設土工格柵進行加固處理重建堤防。經預算發現該施工方案造價偏高，需結合堤防裂縫成因進一步優化加固方案以節省財政投資。

圖1 加固方案斷面圖（單位：mm）Fig.1 Section of reinforcement measure（Unit：mm）

2 裂縫成因分析

2.1 堤防縱向裂縫判別方法

2.1.1 傾度法

傾度或稱不均勻沉降系數γ的定義如下［7］：

式中：sa、sb分別為同一高程上a、b兩點的沉降量；l為同一高程上a、b兩點的水平距離。

2.1.2 拉應變法

當堤身土體的拉應變大于土的極限拉應變時，就會產生裂縫。拉應變ε可表示如下［7］：

式中，va、vb分別為同一高程上a、b兩點的水平位移。

2.2 數值模型及計算參數

模擬堤防加固前堤身填筑施工過程，建立數值模型圖如圖2所示。對模型劃分四邊形網格，堤身填土采用平面四節點單元，堤基部分采用平面四節點孔壓單元，地下水位設于堤基表面。模型側面約束法向位移，底面約束兩個方向位移，側面和底面均為不透水邊界。土體采用摩爾庫倫模型描述，根據室內試驗及相關工程經驗確定模型各土層參數取值如表1所示，堤身分四層填筑，施工進程如圖3所示，其中堤頂車輛荷載按照城市B級，雙列車隊荷載20.5 kN/m2，人行道荷載3.5 kN/m2考慮［18］，本文中將荷載按照均布荷載施加于堤頂。

表1 土層參數Table 1 Soil parameters

圖2 堤身填筑施工模型Fig.2 Construction model of dike filling

圖3 施工進程圖Fig.3 Diagram of construction progress

2.3 計算結果分析

根據工程經驗，以1%作為土體開裂的臨界傾度值，以0.3%作為的臨界拉應變值。施工過程中堤身傾度和拉應變評價值如圖4所示。

圖4 傾度和拉應變評價值Fig.4 Evaluation value of inclination and tensile strain

由圖4可知，填筑施工結束時，堤身傾度值達到0.99%，拉應變值達到0.32%，隨著車輛超載的施加和運行，兩項評價值隨著時間先顯著增加而后趨于穩定，傾度值和拉應變值最終分別穩定在1.29%和0.5%，已遠遠超出臨界值。

根據觀測資料及現場調查情況顯示，大堤裂縫走向基本上是以縱向為主，近似直線狀展布，如圖5所示。裂縫主要集中于堤頂的中間部位，裂縫寬度較大，縫寬多大于5 mm。根據連續觀測對比發現，裂縫類型基本上屬于張裂縫，裂縫基本上沿垂直向下延伸，裂縫深度隨深度增加逐漸變小。

圖5 堤頂裂縫圖Fig.5 Diagram of crack on dike top

結合有限元模擬結果和現場觀測調查情況，可以推斷堤防裂縫產生原因如下：

（1）從裂縫的平面分布位置及裂縫發展趨勢分析，裂縫的發生、發展與堤基地質條件關系密切，對比發現淤泥質土分布廣泛堤段裂縫的發展迅速、裂縫寬度大于局部分布軟土、砂土的堤段。淤泥質土含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、固結穩定時間長，并有觸變性、流變性等特點，堤頂車輛荷載及行駛中產生的震動會對堤防基礎產生不均勻沉降，且模擬結果顯示這一不均勻沉降值已超出安全值。車輛超載及堤身下部軟土性質是產生堤防裂縫的主要原因。

（2）對于已經出現裂縫的路段，由于雨水滲入裂縫，使得堤身土料含水量增加，堤身抗剪強度減小。同時在地下水滲流作用下，易產生不均勻沉降，導致裂縫寬度及沉降差進一步增加。

綜上所述，導致堤頂出現裂縫的主要原因是車輛的超載及地下軟塑狀淤泥質土層的沉降固結所引起的不均勻沉降，其他因素則加劇了裂縫的發育程度。

3 加固方案優化

依據勘察堤身填土層試驗指標統計分析，堤身填土以硬塑和堅硬狀態為主，填土承載力較高，壓實度較好。根據上節分析可知，堤防裂縫形成的主要原因是超載作用下造成的不均勻沉降，因此需要對堤基下部的淤泥質土進行處理。綜合經濟性與適用性，優化方案仍選用水泥土攪拌樁對堤基進行處理，而后回填土并鋪設土工格柵。樁體布置改為如圖6所示梅花形布樁形式，并在原基礎方案上增大樁間距至1.5 m。水泥土攪拌樁樁徑為500 mm，選用42.5號普通硅酸鹽水泥，水泥摻量16.7%，水灰比為0.5。水泥土攪拌樁參數為E0=180MPa，μ=0.18，cp=200MPa，φp=30°；土工格柵按照不受壓線彈性材料考慮，參數為E0=26GPa，μ=0.33。

圖6 樁體布置圖Fig.6 Diagram of pile layout

3.1 穩定性驗算

堤防整體抗滑穩定計算時，采用《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）所推薦的瑞典圓弧法［19］。計算時將復合地基土體作為具有復合抗剪強度指標csp、φsp的土體［20］：

式中：cs、φs為天然土體抗剪強度指標；cp、φp為樁體抗剪強度指標；m為水泥攪拌樁面積置換率，取8.72%。

因堤防除險加固施工主要是對堤防進行裂縫處理，方案中僅對堤防上部2.5 m深的表層進行開挖回填處理，未對堤防進行整體填筑，本次穩定計算工況僅考慮正常運用條件，計算工況如下：

（1）左岸水位由7.714 m驟降至4.874 m，右岸水位4.874 m情況下左岸堤坡穩定性；

（2）左岸水位3.744 m，右岸水位5.244 m情況下穩定滲流期的左岸堤坡穩定性；

（3）左岸水位1.494 m，右岸水位由5.494 m驟降至3.044 m情況下右岸堤坡的穩定性；

（4）左岸水位7.714 m，右岸水位4.874 m情況下穩定滲流期的右岸堤坡的穩定性。

利用Geo-studio軟件計算堤頂荷載選取城市B級荷載和40 kN/m3情況下四種工況安全系數，如表2所示，得到的安全系數均大于規范規定最小安全系數1.25［16］，滿足設計要求。

表2 安全系數計算值Table 2 Value of safety factor

3.2 樁體加固堤防三維模型

選取圖6中陰影部分所示對稱單元進行分析，可忽略堤段兩端半根樁的微小影響，建立如圖7所示的三維模型。模型的四個側面約束法向位移，底面約束三個方向位移，選用四面體單元進行網格劃分。樁身、樁端與土體間設置接觸單元，選擇樁身及樁端面作為主面，對應的土體部分為從面，樁周土體網格需要加密，樁身上的網格密度小于樁周土體密度。接觸面法向行為設為硬接觸，切向行為設為罰摩擦，摩擦系數取0.2。水泥土樁采用實體單元，土工格柵采用膜單元。

圖7 樁體加固模型Fig.7 Pile reinforcement model

模型分析過程如下：首先在移除堤頂回填土部分狀態下進行地應力平衡，接著挖去樁體對應的土體，激活樁體和約束，施加較小的載荷使得接觸關系平穩地建立起來，而后分步施加全部載荷并激活填土和土工格柵。由于拌入軟土中的水泥漿重度與軟土的重度相近，所以水泥土重度與天然軟土重度相近，采用水泥土攪拌樁加固地基時，其加固部分對未加固部分不致產生較大的附加沉降，因此選取地基處理結束時刻作為初始時刻，以后施加荷載計算所得的位移都是相對于此刻的位移。

3.3 計算結果分析

選取復合地基表面與樁端面進行分析，在兩個深度平面上分別選取樁間土斷面與樁斷面進行沉降變化規律研究。圖8和圖9分別示出了樁斷面和樁間土斷面復合地基表面的沉降量。由圖可見，兩個斷面上沉降變化規律類似，地基中心附近沉降量最大，沿兩側逐漸減小。

圖8 地基表面沉降曲線（樁斷面）Fig.8 Settlement curve of foundation surface plane（pile section）

圖9 地基表面沉降曲線（樁間土斷面）Fig.9 Settlement curve of foundation surface plane（soil section between piles）

樁斷面和樁間土斷面樁端層的沉降量分別如圖10和圖11所示。由圖可見，樁端層的樁間土斷面沉降變化與復合地基表面類似，最大沉降量出現在地基中心附近，沉降變化比較均勻。而樁斷面處沉降曲線有較明顯的鋸齒現象，這是由于樁體的彈性模量遠大于土體的彈性模量，樁體豎向變形比較小而土體模量變形較大，樁土間產生了差異沉降。

圖10 樁端面沉降曲線（樁斷面）Fig.10 Settlement curve of pile end plane（pile section）

圖11 樁端面沉降曲線（樁間土斷面）Fig.11 Settlement curve of pile end plane（soil section between piles）

采用優化后方案堤身土體的傾度值和拉應變值分別為0.21%和0.047%，遠小于臨界值。樁端面和復合地基表面最大沉降量分別為21.72 mm和45.98 mm，也能夠滿足工程需求。可見，原方案中樁體面積置換率高，所需樁體數量大，增大施工成本的同時也可能導致部分樁體不能夠充分發揮其作用，造成浪費。因此，復合地基處理時應注意選取合理的面積置換率。利用優化后方案加固的720 m堤段共可節省4 083根水泥土攪拌樁，可減少資金投入約448萬元。

4 結 論

本文基于廣東某堤防除險加固工程實例，利用ABAQUS建立數值模型，模擬了堤防施工過程，分析了堤頂裂縫成因，給出了優化后的加固方案并驗證了方案可行性。通過研究分析，得出主要結論如下：

（1）堤身下部軟弱土層在堤頂超載作用產生的不均勻沉降是堤頂縱向裂縫產生的主要原因。雨水入滲、地下水滲流等因素則進一步導致裂縫的加深、加長，而裂縫的加深加長又會加大入滲和滲流量，從而產生惡性循環，加劇堤防裂縫的發展。

（2）水泥土攪拌樁加固堤防軟基能夠顯著提高堤防穩定性并減少不均勻沉降，但在工程中需結合實際情況合理確定樁體置換率。