抗滑樁在軟弱土基堤防改造工程中的應(yīng)用

余敏林

(寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315192)

堤防改造，在自身改造的同時(shí)還需要考慮堤后場(chǎng)地的配套建設(shè)，由于地塊開發(fā)，堤后地坪被抬高，導(dǎo)致堤防的抗滑穩(wěn)定性受到影響，特別是軟弱土基堤防更應(yīng)注意堤防的抗滑穩(wěn)定性。增加堤防抗滑穩(wěn)定性的工程措施一般有增設(shè)水泥攪拌樁或灌注樁。水泥攪拌樁由于抗壓強(qiáng)度較高而抗剪強(qiáng)度較低，主要用于提高地基承載力、減少沉降量[1]、形成防滲止水、帷幕和被動(dòng)土加固等[2]。灌注樁施工工藝成熟，由于混凝自身的特性，結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度高，抗剪能力強(qiáng)，穩(wěn)定及變形可得到有效控制，布置靈活[3]。因此，可利用灌注樁作為抗滑樁增加堤防抗滑穩(wěn)定性。

目前抗滑樁的計(jì)算，主要有港工地基規(guī)范法、沈珠江的擾流阻力法、地基系數(shù)法、“K”法及“m”法[4-5]和有限元計(jì)算方法等。港工地基規(guī)范法將樁簡(jiǎn)化為一根兩端固定的樁頂受水平集中力的梁，支撐點(diǎn)為樁頂和滑動(dòng)面以下與樁頂同距離處，采用矩形分布的土壓力模型[7,10]，梁中點(diǎn)為反彎點(diǎn)，其彎矩為零時(shí)的剪力即為抗滑力。沈珠江的擾流阻力法認(rèn)為樁表面粗糙，土層為無限廣闊的理想凝聚材料，在此假設(shè)下推導(dǎo)了樁間距有限情況下土層沿水平向運(yùn)動(dòng)時(shí)樁身受到的繞流阻力，再根據(jù)極限設(shè)計(jì)原則計(jì)算樁剛好折斷、樁周土正好發(fā)生繞流運(yùn)動(dòng)時(shí)樁的抗剪承載力即為抗滑力[8-9]。地基系數(shù)法將樁看成是彈性地基上的梁，把滑動(dòng)面以上的滑坡推力作為已知外部荷載，根據(jù)滑動(dòng)面上下土層的地基系數(shù)，應(yīng)用文克爾假定計(jì)算樁的抗滑力。“K”法及“m”法實(shí)質(zhì)上也是地基系數(shù)法，主要用于計(jì)算滑動(dòng)面以下錨固段巖土的彈性抗力；“K”法假設(shè)地基系數(shù)為常數(shù)，不隨深度而變化，適用于較為完整的巖層和硬黏土；“m”法假設(shè)地基系數(shù)為深度的線性函數(shù)，隨著深度增加，地基系數(shù)呈線性增加，適用于硬塑至半堅(jiān)硬的砂黏土、碎石類土或風(fēng)化破碎的巖層；一般情況下，地基系數(shù)K、m應(yīng)通過試驗(yàn)確定[10]。應(yīng)用港工地基規(guī)范法、沈珠江的擾流阻力法、地基系數(shù)法和“K”法及“m”法時(shí)，許多指標(biāo)都沒有統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)依靠設(shè)計(jì)人員的的經(jīng)驗(yàn)選取，而且基本上未能考慮樁土協(xié)同作用，可以說這些計(jì)算方法是不夠完善的[6]。有限元法把樁和土體當(dāng)成一個(gè)整體來考慮，通過選擇適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型和相互作用模型，可以模擬樁和土體之間的相互作用，具有較高的準(zhǔn)確性。

本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，基于強(qiáng)度折減法，同時(shí)考慮樁和樁間土的協(xié)同作用[3]，結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)抗滑樁樁間距和樁長(zhǎng)的試算，優(yōu)化抗滑樁的布置方式，合理利用工程投資。

1 ABAQUS邊坡穩(wěn)定分析

1.1 強(qiáng)度折減法

有限元軟件ABAQUS中計(jì)算邊坡穩(wěn)定方法為強(qiáng)度折減法，即在保持邊界條件和荷載條件不變的狀態(tài)下，通過不斷調(diào)整巖土的強(qiáng)度折減系數(shù)(Fr)得到新的巖土強(qiáng)度，通過折減后的巖土強(qiáng)度進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)土體達(dá)到臨界破壞時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs)[11-13]。Fr相當(dāng)于傳統(tǒng)意義上的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，這與極限平衡法中的穩(wěn)定系數(shù)是一致的[14]。巖土折減規(guī)則如下：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中c、cm——巖土折減前、折減后黏聚力；φ、φm——巖土折減前、折減后摩擦角；Fr——折減系數(shù)。

判斷邊坡達(dá)到臨界破壞的準(zhǔn)則，目前主要有以計(jì)算是否收斂、以特征節(jié)點(diǎn)的位移突變和以塑性應(yīng)變是否連通作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15-17]。本文以特征節(jié)點(diǎn)的位移突變作為邊坡達(dá)到臨界破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)，取此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

1.2 樁土接觸

抗滑樁問題中，樁和土協(xié)同作用，樁土間會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的約束，是典型的接觸問題。ABAQUS軟件在接觸模擬中采用主-從(master-slave)接觸算法[18]。建立樁土接觸時(shí)，通過設(shè)置主接觸面和從屬面生成接觸對(duì)，對(duì)接觸對(duì)的本構(gòu)關(guān)系加以定義，采用面面離散方法，模擬樁土之間的摩擦效應(yīng)。樁土接觸的本構(gòu)模型較多采用庫(kù)倫(Coulomb)摩擦模型[19]，定義摩擦系數(shù)表示接觸面間的摩擦行為，當(dāng)接觸面間剪切力大于摩擦力即為發(fā)生相對(duì)位移，主接觸面和從屬面形成不連續(xù)的變形，樁土協(xié)同抗滑時(shí)，這種不連續(xù)變形是可能存在的，這就是設(shè)置接觸的意義[17]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況及地質(zhì)情況

寧波市奉化江堤防新典路段改造項(xiàng)目是鄞奉片區(qū)打造“一軸、兩帶、一核、四心”的重要基礎(chǔ)，是鄞奉片區(qū)城市更新的關(guān)鍵性要素。工程防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，主要建筑物等級(jí)為1級(jí)。現(xiàn)狀堤防為堤岸合一式結(jié)構(gòu)，下部為岸墻，墻頂設(shè)置臨時(shí)防洪堤。本次改造時(shí)，岸線根據(jù)現(xiàn)狀布置，將岸墻頂部防洪堤拆除，新澆筑鋼筋混凝土壓頂，壓頂上設(shè)置不銹鋼欄桿，墻后設(shè)置景觀綠化帶和慢行系統(tǒng)。

堤防所屬地區(qū)第四系松散堆積物厚度大，淺部以海相沉積的淤泥質(zhì)土為主，且厚度變化不大，下部為沖湖積粉質(zhì)黏土。場(chǎng)區(qū)土層自上而下依次為1-1層素填土、1-2層黏土、2-1層淤泥質(zhì)黏土、2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、5-1層黏土等(圖1)。1-1層素填土均勻性差，土體結(jié)構(gòu)松散，工程性質(zhì)差，強(qiáng)度低；1-2層黏土具一定承載能力，土質(zhì)尚均勻；2-1層淤泥質(zhì)黏土及2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土含水量高、壓縮性高、靈敏度高、土質(zhì)不均勻、強(qiáng)度低，呈典型的軟土特征，土的力學(xué)性能差；5-1層黏土呈可塑狀，土質(zhì)尚均勻，屬中壓縮性、強(qiáng)度較高硬土層(表1)。

對(duì)改造斷面不采取任何抗滑措施時(shí)，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.988，穩(wěn)定性不滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要采取措施，對(duì)堤防進(jìn)行穩(wěn)定加固處理。根據(jù)前文所述，本次堤防改造工程采用灌注樁作為抗滑樁以增加堤防抗滑穩(wěn)定性。改造后堤防典型斷面見圖1。

表1 土層物理參數(shù)建議值

2.2 計(jì)算模型及工況參數(shù)

由于項(xiàng)目為堤防改造工程，施工期不建設(shè)圍堰，因此本項(xiàng)目施工期可認(rèn)為與正常工況基本一致，文本僅分析堤防正常運(yùn)行工況下墻前低水位時(shí)堤防抗滑穩(wěn)定性。該工況下，墻后地下水取平原常水位1.36 m(1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同)，墻前水位取多年平均低潮位-0.50 m。

抗滑樁采用φ800 mm鉆孔灌注樁，考慮到不同樁長(zhǎng)和樁間距對(duì)堤防穩(wěn)定的加固作用不同，為求最優(yōu)樁長(zhǎng)和樁間距，分別設(shè)置了不同的樁長(zhǎng)和樁間距進(jìn)行分析計(jì)算，樁設(shè)置情況見表2。

根據(jù)以上抗滑樁布置建立有限元計(jì)算模型，由于驗(yàn)算情況較多，每種情況均需進(jìn)行建模計(jì)算，為簡(jiǎn)化建模過程和提高計(jì)算效率，利用對(duì)稱性對(duì)工程建立三維計(jì)算模型。限于篇幅，本文僅展示樁長(zhǎng)12 m、樁間距5D的網(wǎng)格模型，見圖2。

表2 抗滑樁布置情況

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文以特征節(jié)點(diǎn)的位移突變作為邊坡達(dá)到臨界破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)，取此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，經(jīng)有限元計(jì)算后，提取特征節(jié)點(diǎn)位移與土體強(qiáng)度折減系數(shù)數(shù)據(jù)繪制折減系數(shù)-特征節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系曲線，各樁長(zhǎng)不同樁間距的關(guān)系曲線見圖3，并將計(jì)算結(jié)果匯總到表3。

a)樁長(zhǎng)8 m

b)樁長(zhǎng)10 m

c)樁長(zhǎng)12 m

d) 樁長(zhǎng)14 m

e) 樁長(zhǎng)16 m

表3 不同樁長(zhǎng)下堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果匯總

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本工程中當(dāng)樁長(zhǎng)為8 m時(shí)，調(diào)整樁間距，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為1.07，樁間距對(duì)安全系數(shù)基本上沒有影響；當(dāng)樁長(zhǎng)增加到10～14 m時(shí)，安全系數(shù)逐漸增大，且增大幅度隨著樁間距減小而增大；若繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，安全系數(shù)在同一樁間距條件下幾乎不變，趨于定值(圖4)。可以看到，當(dāng)樁長(zhǎng)大于8 m時(shí)，樁間距越小，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)越大，抗滑樁作用效果越明顯。

圖4 不同樁間距時(shí)樁長(zhǎng)和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，一般抗滑樁間距可取3～8 m[20]，而本工程樁間距較小才對(duì)穩(wěn)定安全提高作用明顯，主要是因?yàn)楸竟こ痰鼗饕獮橛倌噘|(zhì)土，土體抗剪強(qiáng)度較低，樁間土拱效應(yīng)弱，當(dāng)樁間距較大時(shí)，土拱不足以形成應(yīng)力轉(zhuǎn)移效應(yīng)，反而會(huì)導(dǎo)致樁間土擠出[21]，因此在軟弱土體中，抗滑樁間距應(yīng)相對(duì)較小，較理想的狀態(tài)是抗滑樁密排布置(需考慮適當(dāng)?shù)臄U(kuò)孔系數(shù))。另外本工程中，當(dāng)樁長(zhǎng)為8 m時(shí)，安全系數(shù)均較小，且不隨樁間距變化，可知此時(shí)樁長(zhǎng)設(shè)置不足，樁尚未起到阻滑作用；當(dāng)樁長(zhǎng)大于14 m時(shí)，不改變樁間距情況下，安全系數(shù)趨于定值，可知此時(shí)樁長(zhǎng)設(shè)置過長(zhǎng)，抗滑性能過剩。

經(jīng)過以上計(jì)算，本工程合理的抗滑樁布置方式為樁間距1.5D，即1.2 m，樁長(zhǎng)14 m，此情況下堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.40，經(jīng)極限平衡法(瑞典圓弧法)驗(yàn)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.356，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

寧波市奉化江新典路段堤防為軟弱土地基，文章通過ABAQUS有限元軟件，結(jié)合強(qiáng)度折減法，對(duì)本段堤防改造工程進(jìn)行了抗滑樁的計(jì)算分析，得出如下主要結(jié)論。

a)抗滑樁長(zhǎng)度較短時(shí)，樁身未經(jīng)過滑動(dòng)面，錨固深度設(shè)置不足，樁尚未起到抗滑作用，改變樁間距對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)無影響。

b)抗滑樁長(zhǎng)度合理時(shí)，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著樁間距增大而減小，軟弱土地基堤防中抗滑樁密排布置時(shí)，抗滑樁的作用效果最好。

c)當(dāng)抗滑樁樁間距過大時(shí)，含水量高的軟弱土體呈流塑狀，樁間土的土拱效應(yīng)薄弱，土體易從樁間流出，抗滑樁作用效果較差。