抗滑樁在軟弱土基堤防改造工程中的應用

余敏林

(寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315192)

堤防改造，在自身改造的同時還需要考慮堤后場地的配套建設(shè)，由于地塊開發(fā)，堤后地坪被抬高，導致堤防的抗滑穩(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度較高而抗剪強度較低，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)的樁身強度高，抗剪能力強，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]和有限元計算方法等。港工地基規(guī)范法將樁簡化為一根兩端固定的樁頂受水平集中力的梁，支撐點為樁頂和滑動面以下與樁頂同距離處，采用矩形分布的土壓力模型[7,10]，梁中點為反彎點，其彎矩為零時的剪力即為抗滑力。沈珠江的擾流阻力法認為樁表面粗糙，土層為無限廣闊的理想凝聚材料，在此假設(shè)下推導了樁間距有限情況下土層沿水平向運動時樁身受到的繞流阻力，再根據(jù)極限設(shè)計原則計算樁剛好折斷、樁周土正好發(fā)生繞流運動時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，把滑動面以上的滑坡推力作為已知外部荷載，根據(jù)滑動面上下土層的地基系數(shù)，應用文克爾假定計算樁的抗滑力。“K”法及“m”法實質(zhì)上也是地基系數(shù)法，主要用于計算滑動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，適用于硬塑至半堅硬的砂黏土、碎石類土或風化破碎的巖層；一般情況下，地基系數(shù)K、m應通過試驗確定[10]。應用港工地基規(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，許多指標都沒有統(tǒng)一的選擇標準，多數(shù)依靠設(shè)計人員的的經(jīng)驗選取，而且基本上未能考慮樁土協(xié)同作用，可以說這些計算方法是不夠完善的[6]。有限元法把樁和土體當成一個整體來考慮，通過選擇適當?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，具有較高的準確性。

本文采用有限元計算軟件ABAQUS，基于強度折減法，同時考慮樁和樁間土的協(xié)同作用[3]，結(jié)合工程實例，通過對抗滑樁樁間距和樁長的試算，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 強度折減法

有限元軟件ABAQUS中計算邊坡穩(wěn)定方法為強度折減法，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)整巖土的強度折減系數(shù)(Fr)得到新的巖土強度，通過折減后的巖土強度進行迭代計算，當土體達到臨界破壞時的強度折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs)[11-13]。Fr相當于傳統(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)。

判斷邊坡達到臨界破壞的準則，目前主要有以計算是否收斂、以特征節(jié)點的位移突變和以塑性應變是否連通作為評價標準[15-17]。本文以特征節(jié)點的位移突變作為邊坡達到臨界破壞的判斷標準，取此時的強度折減系數(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，通過設(shè)置主接觸面和從屬面生成接觸對，對接觸對的本構(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。樁土接觸的本構(gòu)模型較多采用庫倫(Coulomb)摩擦模型[19]，定義摩擦系數(shù)表示接觸面間的摩擦行為，當接觸面間剪切力大于摩擦力即為發(fā)生相對位移，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，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)標準為100年一遇，主要建筑物等級為1級。現(xiàn)狀堤防為堤岸合一式結(jié)構(gòu)，下部為岸墻，墻頂設(shè)置臨時防洪堤。本次改造時，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、強度低，呈典型的軟土特征，土的力學性能差；5-1層黏土呈可塑狀，土質(zhì)尚均勻，屬中壓縮性、強度較高硬土層(表1)。

對改造斷面不采取任何抗滑措施時，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.988，穩(wěn)定性不滿足設(shè)計要求，因此需要采取措施，對堤防進行穩(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 計算模型及工況參數(shù)

由于項目為堤防改造工程，施工期不建設(shè)圍堰，因此本項目施工期可認為與正常工況基本一致，文本僅分析堤防正常運行工況下墻前低水位時堤防抗滑穩(wěn)定性。該工況下，墻后地下水取平原常水位1.36 m(1985年國家高程基準，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，考慮到不同樁長和樁間距對堤防穩(wěn)定的加固作用不同，為求最優(yōu)樁長和樁間距，分別設(shè)置了不同的樁長和樁間距進行分析計算，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算模型，由于驗算情況較多，每種情況均需進行建模計算，為簡化建模過程和提高計算效率，利用對稱性對工程建立三維計算模型。限于篇幅，本文僅展示樁長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 有限元計算網(wǎng)格模型

2.3 計算結(jié)果與分析

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

a)樁長8 m

b)樁長10 m

c)樁長12 m

d) 樁長14 m

e) 樁長16 m

表3 不同樁長下堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果匯總

根據(jù)計算結(jié)果，本工程中當樁長為8 m時，調(diào)整樁間距，堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均為1.07，樁間距對安全系數(shù)基本上沒有影響；當樁長增加到10～14 m時，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，安全系數(shù)在同一樁間距條件下幾乎不變，趨于定值(圖4)?？梢钥吹?，當樁長大于8 m時，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 不同樁間距時樁長和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系曲線

根據(jù)相關(guān)文獻，一般抗滑樁間距可取3～8 m[20]，而本工程樁間距較小才對穩(wěn)定安全提高作用明顯，主要是因為本工程地基主要為淤泥質(zhì)土，土體抗剪強度較低，樁間土拱效應弱，當樁間距較大時，土拱不足以形成應力轉(zhuǎn)移效應，反而會導致樁間土擠出[21]，因此在軟弱土體中，抗滑樁間距應相對較小，較理想的狀態(tài)是抗滑樁密排布置(需考慮適當?shù)臄U孔系數(shù))。另外本工程中，當樁長為8 m時，安全系數(shù)均較小，且不隨樁間距變化，可知此時樁長設(shè)置不足，樁尚未起到阻滑作用；當樁長大于14 m時，不改變樁間距情況下，安全系數(shù)趨于定值，可知此時樁長設(shè)置過長，抗滑性能過剩。

經(jīng)過以上計算，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)驗算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.356，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

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)合強度折減法，對本段堤防改造工程進行了抗滑樁的計算分析，得出如下主要結(jié)論。

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

b)抗滑樁長度合理時，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，抗滑樁的作用效果最好。

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