水泥攪拌樁加固堤防數值模擬與分析

雷剛

（贛州市天鷹水利水電規劃設計有限公司，江西 贛州 341000）

1 工程概況

贛州市某水利水電工程采用斜坡式堤身，防浪墻墻頂和堤頂高程分別為116.84 m和116.12 m，堤頂設計寬度5.60 m。堤防等級為4級，設計洪水標準為20年一遇。該處堤防雖然經受住了2020年夏季洪水的考驗，但是在洪水浸泡及反復沖刷下，堤頂和迎水側出現明顯裂縫，部分地段甚至出現滑坡?，F場檢測表明，縱向裂縫深度在1.40～2.50 m 之間，寬度在25～85 mm之間。進一步勘察結果顯示，在該斜坡式堤防修建時未徹底清理地基，堤防下部粉質粘土和淤泥質粘土厚度大，含水量高，可壓縮性強，抗剪強度低。如果將病害堤身段全部挖除并換填，則勢必影響水利水電工程順利運行，故決定采用水泥攪拌樁對堤身展開加固處理，提升堤防結構承載力。

2 模型構建

為分析該水利堤防水泥攪拌樁加固效果，采用Slide 有限元軟件進行數值計算，模型具體見圖1。采用Bishop法進行計算，樁和土采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型。在所構建的模型中邊坡高5m，坡度1∶2，總共設置7排水泥攪拌樁；土質邊坡容重16.80 kN/m3，壓強10 kN/m2，內摩擦角8.50°；水泥攪拌樁容重18.7 kN/m3，壓強125 kN/m2，內摩擦角25°。堤身土體滲透系數5×10-7m/s，因該水利工程堤防加固水泥攪拌樁通常采用散點布置形式，故對采取水泥攪拌樁加固后的堤身滲透系數進行折減處理，按照1×10-7m/s取值。

針對水泥攪拌樁不同樁徑、壓強及內摩擦角，提出以下工況（見表1），以探究樁長、樁徑、黏聚力、內摩擦角等參數對堤防加固施工效果的影響，考慮到堤防加固以控制位移變形，確保堤壩穩定為主要目的，故在模擬過程中，以堤頂沉降位移和水平位移為主要評價指標。H1 和H2 工況主要分析的是樁徑對堤頂沉降、水平位移及安全程度的影響，H1、H3、H4 則分析的是水泥攪拌樁黏聚力對堤頂沉降、水平位移及安全系數的影響；H1、H5、H6研究的是水泥攪拌樁內摩擦角的影響程度。

表1 堤防加固數值模擬計算工況表

3 結果分析

3.1 加固方案的適用性

根據表1 中分析結果，在未設置水泥攪拌樁的情況下，堤身抗滑穩定安全系數僅為1.97，采取水泥攪拌樁加固措施后安全系數取值明顯增大。其中H1工況下，水泥攪拌加固深度從0 m依次增大至14 m、16 m、18 m、20 m、22 m，則安全系數依次提升44.65%、31.17%、18.41%、11.62%和11.62%。通過對水泥攪拌樁加固后堤防邊坡穩定計算結果云圖的分析看出，加固措施采取后邊坡滑弧深度呈減小趨勢，樁前土體失穩是主要破壞模式，堤防邊坡穩定性可大大提升。

3.2 加固深度的影響

為簡化分析，可以將水泥攪拌樁加固深度和樁長視為同一參數。不同加固深度下堤身水平位移和沉降位移變化量相對值具體見圖2。由圖中結果可以看出，加固后的堤防水平位移及沉降位移相對變化量曲線雖呈增長趨勢，但增速逐漸減緩，說明水平和沉降位移均隨樁長增大而減小。當樁長從14 m增大至16 m，沉降位移和水平位移依次降低15.60%和24.10%；當樁長從14 m增大至18 m，沉降位移和水平位移依次降低27.20%和30.70%；此后隨著樁長的增大，降低幅度依次減小。出于經濟性和工程性能的綜合考慮，該堤防加固工程應將樁長確定為18 m。

圖2 加固深度對相對位移變化量的影響圖

這一結論與表1 中所模擬的水泥抗滑樁設計加固深度與堤身抗滑穩定安全系數的關系一致，即隨著樁體加固深度的增大堤身抗滑穩定安全系數的增長幅度持續降低。結合模型，該水利水電工程堤防邊坡設計高度為5 m，故在邊坡高度范圍內增大樁徑能顯著提升邊坡穩定性?；诖私嵌瘸霭l，可在該堤防邊坡加固過程中使用釘型水泥攪拌樁，并增大邊坡坡腳以上部分的樁徑。在樁長16 m 以內，無論樁徑取0.50 m 還是1 m，堤身抗滑穩定安全系數均隨樁長的增大而大幅增加。當樁長超出16 m 后，滑弧位置和滑弧深度均不再隨樁長的改變而改變，說明出于堤防邊坡抗滑穩定的角度，水泥攪拌樁存在有效樁長，一旦超出此值，堤身抗滑穩定安全系數隨水泥攪拌樁樁長的增大不增反降。

3.3 樁身強度影響

樁身強度主要因水泥摻量、水泥強度等級、地基含水率、外摻劑等不同而存在差異，這種差異在Mohr-Coulomb強度準則上主要表現為壓強和內摩擦角兩個參數取值上。為進行樁身強度對堤防邊坡穩定影響程度的分析，將壓強和內摩擦角兩個參數分別折減20%和50%，并進行數值模擬。根據模擬結果，當樁長不足16 m時，水泥攪拌樁壓強將從125 kN/m2降低至100 kN/m2，堤身抗滑穩定安全系數小幅降低；而當樁長超出16 m后，堤身抗滑穩定安全系數不再變化；當水泥攪拌樁壓強繼續下降至65.50 kN/m2時，在設計樁長范圍內，安全系數繼續呈減小趨勢。表明，堤防邊坡壓強的變化僅影響安全系數，不影響有效樁長。

當樁長不足16 m時，堤身抗滑穩定安全系數隨水泥攪拌樁內摩擦角的減小而呈減小趨勢，而樁長超出16 m后，不同內摩擦角下堤身抗滑穩定安全系數取值相同。表明，內摩擦角的改變主要在邊坡高度范圍內影響安全系數，而對有效樁長并無影響。

3.4 樁間距的影響

根據對不同樁間距下堤頂沉降位移和水平位移加固效果模擬結果（圖3）的分析，隨著樁間距從0.80 m增大至1.40 m，堤頂沉降位移和水平位移增大幅度較小，且樁間距越小，位移絕對值也越??；而當樁間距從1.40 m 增大至1.60 m，則沉降位移和水平位移快速增大。模擬結果說明，水泥攪拌樁樁間距的減小能提升堤防結構整體性和加固效果，但是此時造價和施工成本也隨之增大。綜合考慮施工成本和加固效果，將水泥攪拌樁樁間距設置為1.40 m。

圖3 樁間距對相對位移變化量的影響圖

3.5 樁排數的影響

不同樁排數下堤頂沉降和水平位移相對變化量取值見圖4，右圖可知，在樁排數為4 排時，堤頂沉降位移和水平位移增幅最大，此后隨著樁排數的增加，沉降位移和水平位移增幅均呈降低趨勢，到樁排數為7 排時基本達到穩定；且堤頂沉降位移增大幅度比水平位移大。分析結果也說明，水泥攪拌樁排數的增多能使堤防整體性提升，達到控制位移變形的目的。水泥攪拌樁樁排數從4排增大至8排時，沉降變形和位移變形整體降低幅度僅為7%，這說明樁排數的增多對沉降位移和水平位移的控制作用相當有限。樁排數從4排增加至6排時沉降位移和水平位移降低幅度最大，分別為34.90%和28.10%。為保證加固效果和工程經濟性，應將樁排數確定為6排。

圖4 排數對相對位移變化量的影響圖

4 結論

綜上所述，水泥攪拌樁不失為加固效果良好的水利水電堤防軟弱地基處理技術，該技術能有效提升贛州市某水利水電工程斜坡式堤身抗滑穩定安全系數，縮小滑動范圍和滑弧深度。充分考慮水泥攪拌樁樁長、樁間距、樁身強度、樁排數等對堤頂沉降位移、水平位移及加固效果所存在的影響，經過模型試驗將該工程堤頂水泥攪拌樁有效樁長確定為16 m，最佳樁間距確定為1.40 m，樁排數確定為6排；水泥攪拌樁壓強和內摩擦角對堤身抗滑穩定安全系數的影響受到樁長限制，且其改變對有效樁長影響不大。按照此研究所提出的方案進行贛州市某水利水電工程斜坡式堤身水泥攪拌樁加固后，堤防整體性和穩定性均明顯提升。