岸墻后趾下灌注樁對高填土邊載荷的影響

馮 帥 楊子江

（1.國家投資項目評審中心 北京 100037 2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

水閘與兩岸的連接型式主要受地基條件和閘身高度影響。地基條件較好、閘身高度不大時，邊墩與河岸可直接連接；地基條件較差、閘身高度較大時，邊墩與河岸直接連接可能會產(chǎn)生不均勻沉降，進而影響閘門啟閉。邊墩后面設(shè)置岸墻這種連接型式可以減小邊墩和閘底板內(nèi)力，降低不均勻沉降發(fā)生的風險。這種工程做法在水閘設(shè)計實踐中相當普遍，但岸墻后高填土引起的邊載荷影響問題也越來越受到關(guān)注，一些研究結(jié)合工程實例分析了高填土邊荷載對水工建筑物的影響，指出水閘設(shè)計應(yīng)重視高填土邊荷載引發(fā)的沉降和不均勻沉降問題，建議盡量采取措施減輕高填土邊荷載的影響[1-4]。

高填土擋土墻下設(shè)置灌注樁是一種能有效減輕高填土邊載荷影響的方法，一般稱為樁基礎(chǔ)擋土墻，此結(jié)構(gòu)以樁體作為擋土墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，近年來已有不少這方面的工程實例[5]，但定量分析灌注樁對高填土邊載荷減輕效果的研究報道較少。本文以耿樓樞紐工程為例，借用MIDAS GTS NX 軟件就岸墻后趾下灌注樁對高填土邊載荷的影響進行數(shù)值模擬分析。

2 工程概況

耿樓樞紐由節(jié)制閘和船閘組成，節(jié)制閘布置在船閘南側(cè)，上、下游引河與老河道平順連接，上游引河底寬107.66m，下游引河底寬119.18m，引河底高程21.00m。節(jié)制閘為II 等大（2）型工程，20年一遇設(shè)計流量3910m3/s，50年一遇校核流量4770m3/s。閘室總寬110.06m，共12 孔，單孔凈寬7.50m，順水流方向長24.00m。閘室兩側(cè)分別布置橋頭堡，橋頭堡內(nèi)布置電氣設(shè)備及水閘集中控制系統(tǒng)。工作閘門采用平面鋼閘門，啟閉機選用卷揚式啟閉機。

3 模型構(gòu)建

3.1 本構(gòu)模型選取

結(jié)合耿樓樞紐節(jié)制閘工程實際，本研究在借用MIDAS GTS NX 模擬計算時，選用的本構(gòu)模型有線彈性模型（閘室、岸墻、翼墻、墊層和灌注樁）、莫爾-庫倫模型（粉質(zhì)壤土、砂壤土、粉質(zhì)粘土和細砂）和修正莫爾-庫倫模型（回填水泥土）。

3.2 接觸面單元選用

接觸面單元形式主要有無厚度雙節(jié)點單元、薄層接觸面單元、無厚度接觸面單元（Goodman 單元）和接觸摩擦單元等。對節(jié)制閘岸墻、翼墻而言，存在墻面與回填水泥土的接觸面；對混凝土灌注樁而言，存在樁體與地基土體的接觸面。考慮到混凝土與土體彈性模量差別較大，為較準確模擬不同材質(zhì)在同等應(yīng)力作用下的變形，本研究最終選用無厚度接觸面單元（Goodman 單元）。

3.3 模型簡化說明

為在盡可能保證結(jié)果準確的前提下提高模型計算效率，該研究對節(jié)制閘岸墻、翼墻有限元計算模型采取以下簡化假設(shè)：（1）分析節(jié)制閘岸墻后趾下灌注樁對高填土邊載荷影響時，將閘室和岸墻作為研究對象；（2）建模過程中，未考慮地下水及其滲流影響、土體的排水與固結(jié)及時空效應(yīng)，施工階段設(shè)置到完建期，未考慮運行期水壓力的影響；（3）為了簡化計算，模型中各種材料均是均質(zhì)各向同性，灌注樁采用梁單元模擬；（4）三維整體基本模型中的土層假定為成層土，忽略各土層的起伏變化；（5）考慮到節(jié)制閘左右岸對稱性，僅對節(jié)制閘左岸進行三維整體建模。

3.4 模型建立

該研究考慮在計算條件允許情況下盡量消除邊界條件的影響。建立模型總長400m，約為建筑物長度的4 倍；模型總寬300m，約為建筑物寬度的3 倍；深度方向取60m。混泥土灌注樁以0.5m 進行尺寸控制并劃分網(wǎng)格；閘室、岸墻、上下游翼墻及回填水泥土以3m 進行尺寸控制并劃分網(wǎng)格；地基土層以5m 進行尺寸控制并劃分網(wǎng)格（其中最下層土體按10m 控制尺寸并劃分網(wǎng)格）。模型共187620個節(jié)點，209630 個單元，單元采用以六面體為中心的混合網(wǎng)格（四面體+六面體組合形狀）。模型整體及岸墻、翼墻和灌注樁的網(wǎng)格劃分分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 整體網(wǎng)格劃分圖

圖2 岸墻、翼墻和灌注樁網(wǎng)格劃分圖

模型荷載條件：（1）自重荷載，模型參考坐標系定位整體直角坐標系，Gz 軸重力分量定義為-1，Gx 和Gy 軸方向重力分量定義為0；（2）外部荷載，閘室及岸墻上部施加道路荷載，設(shè)置均布荷載為12kN/m2。

3.5 施工階段定義

該研究定義五個施工階段進行數(shù)值模擬：（1）初始地應(yīng)力分析階段；（2）混凝土灌注樁施工階段（岸墻未設(shè)置灌注樁的情況無此階段）；（3）閘室、岸墻和翼墻施工階段；（4）回填水泥土階段；（5）施加外部荷載階段。

4 模型結(jié)果

4.1 豎向位移分析

岸墻后趾下無灌注樁和設(shè)置灌注樁兩種情況下的豎向位移云圖分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 無灌注樁條件下閘室、岸墻豎向位移圖

圖4 設(shè)置灌注樁條件下閘室、岸墻豎向位移圖

由圖3 可知，岸墻后趾下無灌注樁時的最大沉降量為135.26mm，最大位移出現(xiàn)在岸墻后趾處。由圖4 可知，岸墻后趾下設(shè)置灌注樁的最大沉降量減少為69.54mm，最大位移同樣出現(xiàn)在岸墻的后趾處。由此可見設(shè)置灌注樁后岸墻的最大沉降量減少了65.72mm，灌注樁抑制岸墻最大沉降量的效果為48.59%。

另一方面，圖3 顯示岸墻后趾下無灌注樁時的最小沉降量為102.39mm，出現(xiàn)在岸墻前趾處，前后趾沉降差為32.87mm。圖4 顯示岸墻后趾下設(shè)置灌注樁的最小沉降量減少為56.18mm，也出現(xiàn)在岸墻前趾處，前后趾沉降差減少為13.36mm。可見設(shè)置灌注樁后岸墻的前后趾沉降差減少19.51mm，灌注樁抑制岸墻不均勻沉降的效果為59.36%。

4.2 水平位移分析

岸墻后趾下無灌注樁和設(shè)置灌注樁兩種情況下的水平位移云圖分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 無灌注樁條件下閘室、岸墻水平位移圖

圖6 設(shè)置灌注樁條件下閘室、岸墻水平位移圖

由圖5 可知，岸墻后趾下無灌注樁時的最大水平位移為16.29mm，出現(xiàn)在岸墻墻頂。由圖6 可知，岸墻后趾下設(shè)置灌注樁的最大水平位移減少為6.19mm，同樣出現(xiàn)在岸墻墻頂。可見設(shè)置灌注樁后岸墻的最大水平位移減少10.10mm，灌注樁抑制岸墻后傾的效果為62.00%。

本研究中，岸墻后趾下設(shè)置灌注樁對閘室、岸墻沉降量、不均勻沉降程度和后傾的抑制效果分別為48.59%、59.36%和62.00%。綜上分析，岸墻后趾下設(shè)置灌注樁能夠有效減小閘室、岸墻沉降量，減弱不均勻沉降程度及降低閘室、岸墻后傾風險。

5 結(jié)論

岸墻后高填土引起的邊載荷直接影響水工建筑物的安全穩(wěn)定，在高填土擋土墻下采用樁基礎(chǔ)是一種能有效減輕高填土邊載荷影響的方法。該研究通過耿樓樞紐節(jié)制閘岸墻后趾下灌注樁對高填土邊載荷的影響進行模型定量數(shù)值分析，結(jié)果表明岸墻后趾下設(shè)置灌注樁能夠有效減小閘室、岸墻沉降量，減弱不均勻沉降程度并降低閘室、岸墻后傾風險