地基水泥土攪拌樁對水閘長效服役的變形影響分析

吳 強，歐 斌，黃 丹

(1.九江市柴桑區水利事務中心，江西 九江 332101，2.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650201，3.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西 南昌 330099)

1 概述

水閘作為一種重要的水工建筑物，具有調水、防洪、輸水、擋潮及交通運輸等作用，尤其是平原地區河流、湖泊和出海口等水體流域[1]。在平原地區和河流下游，較多的水閘存在閘基覆蓋層較厚的地質情況，需要做地基處理以提高水閘的安全穩定性[2- 3]。目前對于水閘地基深覆蓋層的研究較多，如蔣達等人考慮深覆蓋層水閘閘基和底板間接觸的非線性，采用ANSYS軟件計算研究了水閘的沉降特性[4]；鄧理想等人通過三維有限元軟件研究計算了新疆鏨高水電站覆蓋層上泄洪沖沙閘的沉降變形[5]；鄧理想等人還就鏨高水電站深覆蓋層的泄洪沖沙閘基礎地震動力問題采用Abaqus有限元軟件計算分析了其永久變形[6]。為了提高深覆蓋層上的水閘結構穩定性，特別是長期服役后水閘樞紐的安全性，需要對深覆蓋層的地基進行加固處理。對于深覆蓋層地基加固處理措施和方案因不同地形地質而不同。常用的加固措施方案一般包括置換拌入方案、排水固結方案、灌漿方案、振密或擠密方案、加筋方案、水泥土攪拌樁加固方案和鉆孔灌注樁方案等[7]。其中對于深覆蓋層的閘基，水泥土攪拌樁加固方案和鉆孔灌注樁方案的應用較多。水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，在地基內通過將軟土或砂等固化劑拌合，從而提高土基的穩定強度；具有施工方便、加固作用強和工程造價低等優點[8]。鉆孔灌注樁是通過機械鉆孔在地基土中形成樁孔，并在其內放置鋼筋籠，灌注混凝土做成樁，靠樁承受外部荷載，其優點為承載力高、施工方便、適用范圍大和適用于復雜地質條件等[9]。

目前，隨著施工技術和工藝以及建筑材料的發展，各種水閘地基處理方案和措施被應用到具體的工程中。因此關于深覆蓋層的地基處理對水閘結構穩定性的研究成果較多。如劉會橋通過粉噴樁的樁土沉降、樁土應力比、孔隙水壓力、水平方向位移4個參數指標評價研究了粉噴樁在水閘軟土地基處理中的效果和適用性[10]；王濤等人通過ABAQUS有限元計算軟件計算研究了采用碎石樁加固某進水閘粉砂地基前后的水閘變形沉降[11]；蔣愛辭等人研究了PHC樁及水泥攪拌樁聯合技術在水閘地基處理中的應用問題，相應地求解了單樁豎向承載力、復合地基承載力以及確定了樁長、樁徑及樁間距[12]；王西青介紹了水閘軟土地基處理中預制高強混凝土管樁設計與試驗方法[13]。由此可知，當前的研究主要集中在施工和建設過程中，各種地基處理方案對水閘結構安全穩定的影響，對于在水閘長期服役情況下，經過地基處理后的水閘結構變形影響的研究較少，因此需要進一步進行研究。為此，本文通過實際工程案例，采用三維有限元計算方法，計算了經過長期服役后的水閘的結構變形，通過計算結果對比分析了地基處理在水閘長期服役后對結構變形的影響。這對同類水閘工程的結構計算和評價研究具有重要的工程價值。

2 考慮樁地基處理的水閘結構計算模型

由于水閘結構樞紐的材料組成差別較大，需要采用不同的材料本構模型進行模擬計算分析。其中水閘閘基深覆蓋層土體的本構模型選用摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)塑性模型來進行塑性計算分析，水閘混凝土結構采用線彈性本構模型[14]。

2.1 水閘結構有限元本構模型

2.1.1有限元模型的基本假定

由于水閘工程中地質環境較為復雜，在進行地基加固的模擬過程中，為使得計算在較為合理的基礎上模型盡量簡單，對閘室地基加固的模型進行分析時，進行相應的假定及簡化：閘室底板及閘室只考慮其彈性變形，假定材料為勻質，且為彈性材料，不考慮混凝土結構內部變形等因素；在水閘正常服役期間，即未發生傾覆的情況下，加固樁與土體、閘室底板與墊層為相對有限滑動位移。

2.1.2有限元模型計算的基本理論

在采用有限單元法對水閘進行結構計算分析時。首先需要對結構離散化。當用結點位移表示單元體的位移、應變和應力，則假定位移是坐標的某種函數的位移模式。根據所確定的位移模式，從而可以用結點表示單元內任意點的位移關系[15]。

u=Nδe

(1)

式中，u—單元內某點的位移分量；δe—單元結點的位移分量；N—形函數矩陣，它的元素是位置坐標的函數。單元內的應變和應力分別為：

ε=LTNδe=Bδe

(2)

σ=Dε=DBδe=Sδe

(3)

式中，B、S—應變矩陣、應力矩陣。

將式(1)代入系統勢能π的表達式，得到：

(4)

根據最小勢能原理，式中勢能的變分為零，故：

(5)

由于結點位移向量δe的任意性，有：

(6)

上式可以轉為：

Keδe=fe

(7)

式中，Ke—單元剛度矩陣；fe—等效結點力。其表達式分別為：

(8)

(9)

(10)

(11)

通過集合所有單元的平衡方程，建立整個結構的平衡方程。要求所有相鄰的單元在公共結點上的位移相等。于是得到用整體剛度矩陣K、載荷向量f和整個結構的結點位移向量δ表示的整個結構的平衡方程：

Kδ=f

(12)

對方程(12)進行適當修改以考慮結構的邊界條件后解出結點位移δ，然后利用單元特性計算單元應力或內力。

2.2 接觸單元

為了較為精確地模擬計算水閘的變形，需要對水閘材料變形特性差異較大的區域設置接觸單元以協調二者之間的變形。由于水閘在正常服役情況下，水閘各部分變形相對于水閘結構本身為小變形，則水閘不同材料接觸間的滑動為有限滑動。因此，由水閘材料的滑動屬性，本文引入標準庫倫摩擦模型模擬其接觸。標準庫倫摩擦模型需要設置接觸對用來模擬材料間的摩擦滑動。其一為主滑動面，另一則為從滑動面。本文在水閘底板和地基之間以及地基和樁之間設置接觸。其中在水閘底板和地基之間的接觸，底板為主接觸，土層地基為從接觸；地基和樁之間的接觸，土層地基為主接觸，樁為從接觸。

2.3 水閘工程有限元計算的基本荷載與計算流程

水閘工程有限元計算的外部基本荷載一般包括結構的自重、水重、靜水壓力、揚壓力等。各部分荷載具體計算要求詳見相關規范和設計工況要求，這里不再贅述。

考慮樁基影響的水閘工程有限元變形的計算流程主要分為6步：①根據工程資料進行三維有限元建模；②對進行深覆蓋層的地基地應力平衡；③根據工況要求，確定基本荷載的組合情況；④進行三維有限元計算，分別計算運行第1年和15年的結構變形；⑤同第4步，計算沒有進行地基處理的水閘結構變形；⑥對比分析水閘變形的結果，研究地基處理對水閘穩定性的影響。

3 工程算例

3.1 地基處理方案與有限元模型

某水閘工程為雙向擋水閘，位于長江下游的支流入江口，水閘處在深覆蓋土層上，需要進行地基處理。地基處理方案為閘室設地下板樁連續墻，起穩定和防滲2個作用；在水閘的閘左和閘右進行深度水泥土攪拌樁處理，樁的深度為30m。水閘為3孔，每孔寬8m，設計流量為210m3/s。水閘閘室、底板均采用C30混凝土。閘室、板樁及水泥土攪拌樁的布置情況如圖1所示。

圖1 閘室、板樁及水泥土攪拌樁三維有限元結構模型

該水閘樞紐的三維有限元計算模型范圍為，從上游翼墻往上游延伸100m，從下游翼墻順下游延伸100m。左右岸的范圍為自閘室各向兩岸延伸70m。豎直范圍為從底板下至巖石基礎。水閘地基的深覆蓋層按地質情況分為5層。水閘樞紐的三維有限元模型的單元共有274912個，其中閘室單元有62542個，深覆蓋層土基單元有192464個，板樁和水泥土攪拌樁單元為19906個。該水閘樞紐有限元模型及覆蓋層土層分布如圖2所示。

圖2 水閘樞紐有限元模型及地基深覆蓋層分層情況

3.2 混凝土及地基土層的有限元模型參數

水閘的閘室、地下板樁等均采用C30混凝土，護坡采用M20漿砌石。混凝土和漿砌石的物理力學參數見表1。深覆蓋層的土層按力學性質分為5層，由淺及深的地基土層物理力學參數見表2。水泥土攪拌樁三維有限元的本構模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，其物理力學參數見表3。

表1 水閘混凝土及漿砌石線性材料的力學參數

表2 水閘深覆蓋層各土層力學參數(由淺及深)

表3 水泥土攪拌樁的力學參數

3.3 考慮地基處理的有限元結果與分析

由以上確定有限元模型的各不同材料參數，以及水閘樞紐模型的邊界采用3向固定約束，地基采用法向約束，其余為自由約束。荷載組合選擇設計工況荷載，水位取設計水位。在進行初始地應力平衡之后，輸入模式參數及施加模型荷載，從而可以得到計算結果。由于要比較經過水泥土攪拌樁地基處理對閘室變形特性的影響，而水泥土攪拌樁所承載閘室的垂直向荷載較小，主要承載來自地基的切向荷載。該閘為雙向擋水閘，則順河向位移對評價水閘結構安全較為關鍵，綜合考慮選擇順河向的位移作為研究分析變量。

考慮水泥土攪拌樁處理的閘室結構順河向位移在服役第1年和第15年的結果如圖3—4所示。

圖3 考慮樁地基處理的水閘服役第1年順河向位移(單位：m)

圖4 考慮樁地基處理的水閘服役第15年順河向位移(單位：m)

為了研究水泥土攪拌樁處理的地基對水閘變形的影響，將水泥土攪拌樁在模型中刪除后再進行如上計算。其未進行水泥土攪拌樁處理的閘室結構順河向位移在服役第1年和第15年的結果如圖5—6所示。

圖5 未考慮樁地基處理的水閘服役第1年順河向位移(單位：m)

圖6 未考慮樁地基處理的水閘服役第15年水閘順河向位移(單位：m)

由圖3—6可得：在設計水位下，在考慮水泥土攪拌樁地基處理的水閘服役第1年和第15年的順河向位移的分布特性一致，在量值上略有增加，最大值在閘墩頂部，從5.82mm增加到5.86mm，但增加幅度不大，底板的最大值基本一致。在未進行水泥土攪拌樁地基處理的水閘服役第1年和第15年的順河向位移的分布特性基本一致，但在量值上相較于經過樁處理的情況增加明顯，最大值在閘墩頂部，從5.82mm增加到8.67mm，增加幅度較大，并且底板的最大值也從1.34mm減至0.59mm。由此可知，未進行水泥土攪拌樁地基處理的水閘的變形較大，結構安全穩定性較差，對處在深覆蓋層的水閘進行地基加固十分必要。

4 結論

(1)本文闡述了考慮樁基處理的深覆蓋層水閘三維有限元計算方法，重點對比分析了水閘在經過樁基處理和未經過樁基處理2種情況對水閘長期服役的結構變形影響。

(2)由結果可知，在服役第1年，2種情況的順河向變形差別不大；而在服役第15年，未經過地基處理的水閘變形明顯增大，不利于結構的安全穩定。該計算方法可為同類地基處理的水閘計算提供借鑒，具有工程意義和推廣價值。