空箱對某深厚軟土地基水閘翼墻及樁基礎(chǔ)位移的影響

彭 淵,劉 剛,2,嚴(yán)其芳,王文雙

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072; 3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

空箱對某深厚軟土地基水閘翼墻及樁基礎(chǔ)位移的影響

彭 淵1,劉 剛1,2,嚴(yán)其芳3,王文雙3

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072; 3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

針對軟土地區(qū)水閘邊墩與翼墻間易產(chǎn)生過大變位,導(dǎo)致止水失效并危及水閘運行安全的問題,采用有限元方法建立溫州某深厚軟土地基上水閘整體模型,土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型并考慮土體蠕變法則,研究變位產(chǎn)生的原因以及閘側(cè)連接空箱對翼墻及樁基礎(chǔ)位移的影響。結(jié)果表明,采用連接空箱過渡水閘與堤防之間的地基,改善了水閘樁基礎(chǔ)的受力,有效控制了翼墻的位移;合理的空箱尺寸不僅可以有效抑制翼墻與閘室間變形縫的開展,并且可以避免因空箱設(shè)置過大而造成的工程投資浪費。

水閘;連接空箱;閘堤連接段;軟土地基;三維有限元;翼墻;樁基礎(chǔ)

我國沿海地區(qū)軟土地基分布廣泛、壓縮性較高[1],建于軟土地基上的水閘數(shù)量眾多。目前工程中往往僅重視水閘本身的地基處理,對水閘與堤防之間連接段的地基處理重視不夠,從而引起各種安全隱患,尤其是建于深厚軟土地基上的水閘安全隱患更加嚴(yán)重,如水閘基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降、翼墻傾斜失穩(wěn)、翼墻與閘墩連接止水扯開失效等,甚至危及整個水閘的運行安全,后續(xù)的加固難度極大。目前水閘常見的地基處理方法有換填墊層法、振動水沖法、強夯法、水泥土攪拌法、布設(shè)沉井基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等[2],然而對于水閘兩側(cè)閘堤連接段地基,采用上述傳統(tǒng)的地基處理方法并不能取得理想的效果。在工程設(shè)計、施工階段對水閘閘堤連接段的地基采取更有效、更合理的處理方案是避免產(chǎn)生類似安全隱患的根本。

空箱作為閘堤連接段地基的過渡結(jié)構(gòu),在抑制水閘的不均勻沉降方面有較好的效果[3],目前正在逐步推廣應(yīng)用。根據(jù)地基特性,在空箱中充水或填土來調(diào)整地基應(yīng)力,使其基底的平均荷載強度盡可能接近閘室基底的平均荷載強度,可減少不均勻沉降。傳統(tǒng)的水閘連接空箱往往建在土質(zhì)條件較好的地基上[3-5],其目的主要是減小作用在水閘邊墩上的土壓力以及抑制水閘與堤防之間的不均勻沉降,而對于建在不良地基上的水閘連接空箱所產(chǎn)生的翼墻、閘室和空箱三者之間的過大變位未加考慮,特別是建立在淤泥質(zhì)黏土等深厚軟土地基上的水閘連接空箱往往會發(fā)生傾斜等現(xiàn)象。目前有關(guān)空箱作為閘堤連接段的理論研究較少,沒有現(xiàn)成的規(guī)范可供參考,而且空箱的有效尺寸也無法通過常規(guī)的理論計算確定。針對這種情況,筆者采用不同尺寸的空箱作為閘堤連接段,并在空箱底部設(shè)置鉆孔灌注樁,利用專業(yè)剖分軟件Hypermesh[5]建立水閘整體模型,結(jié)合大型非線性有限元軟件ABAQUS定量分析水閘連接空箱對翼墻水平位移和閘底板鉆孔灌注樁受力的影響,并初步提出空箱有效尺寸的確定方法。合理的空箱尺寸不僅可以有效抑制翼墻與閘室間變形縫的開展,并且可以避免因空箱設(shè)置過大而造成的投資浪費,為同類工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

浙江省溫州市某深厚軟土地基上修建了一座中型水閘,水閘為混凝土平底板胸墻式整體結(jié)構(gòu),長16.5 m,單寬5 m,共有 7孔,總凈寬35 m。底檻高程為-2.0 m,閘底板厚100 cm,中墩厚120 cm,交通橋面(堤頂)高程為7.0 m,兩岸堤防填土高度為10 m。閘室和上下游翼墻基礎(chǔ)布設(shè)直徑為80 cm的鋼筋混凝土灌注樁,閘底樁基共布置10排樁,每排布置7根樁,間距2.45 m,總計70根樁,樁長43 m。地基為深厚淤泥質(zhì)軟土地基,具有高含水量、低強度、高壓縮性的軟土特征,厚度取2倍樁長?；谝陨蠑?shù)據(jù)建立該水閘工程的整體有限元模型,模型包括水閘、翼墻、混凝土灌注樁、空箱、地基土、回填土。作用在地基上的閘室基底荷載和堤防基底荷載通過閘室與堤防之間設(shè)置的連接空箱實現(xiàn)過渡,計算分析運行期地基沉降和水閘的位移情況,分析空箱對閘底板樁基、翼墻位移的改善作用,并設(shè)計出合理的空箱尺寸。水閘兩側(cè)所設(shè)置空箱長度與水閘長度相同,箱底布置2排鉆孔灌注樁,其樁長和排間距與水閘基樁一致,見圖1。

圖1 場地平面布置(單位: m)

圖2 水閘整體有限元單元網(wǎng)格

圖3 閘室、翼墻和空箱單元網(wǎng)格

2 三維數(shù)值模型的構(gòu)建

2.1 有限元模型

水閘整體的數(shù)值模擬具有極大的難度,不僅要模擬樁-土-上部結(jié)構(gòu)的作用,還要考慮墻-土之間的作用,且土需考慮彈塑性,故目前對水閘整體的三維數(shù)值模擬研究甚少。為了探討空箱岸堤處理的效果,借助專業(yè)剖分軟件Hypermesh建立高質(zhì)量單元網(wǎng)格的水閘整體三維數(shù)值模型,如圖2、圖3所示。模型通過接口導(dǎo)入ABAQUS,并在樁與土體、翼墻與土體之間設(shè)置接觸對:接觸對設(shè)置采用“硬接觸”模式,避免了計算過程中的穿透現(xiàn)象,并采用罰函數(shù)進行計算。計算時選中“Allow separation after contact”項,即允許樁土之間的接觸滑移。為了研究空箱的作用,并確定連接空箱的合理尺寸,空箱長度與水閘長度一致,均為16.5 m,空箱寬度分別取3 m、7 m、10 m,相應(yīng)分別記作空箱1、空箱2、空箱3?？障涞装逑旅嬖O(shè)立鉆孔灌注樁,空箱1、空箱2均設(shè)立2排灌注樁,空箱3設(shè)立3排灌注樁,樁長均取43 m,空箱與閘室下部樁基的布置間距順?biāo)鞣较蛳嗤?空箱與土體、空箱底部灌注樁與土體之間設(shè)置接觸對,不同尺寸的空箱單元網(wǎng)格見圖4。

圖4 不同尺寸的空箱單元網(wǎng)格

2.2 基本假定

a. 本文主要研究地基土層為深厚軟土的不良地質(zhì)情況,為節(jié)約計算成本,將地基土土層簡化為1層均質(zhì)的土層[6]。

b. 考慮到混凝土與土的彈性模量相差懸殊及混凝土結(jié)構(gòu)受力特點,混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。

c. 假定土為理想的彈塑性材料,各向同性、均質(zhì),且樁的存在不影響土層的連續(xù)性和物理參數(shù)的取值[7]。

d. 為方便有限元建模及剖分,對結(jié)果影響不大的因素進行調(diào)整,如將閘墩的圓角改為直角,忽略門槽等細(xì)節(jié)構(gòu)造。

2.3 單元類型與計算參數(shù)

有限元模型采用C3D8R單元進行劃分。土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型,并加入蠕變法則以考慮蠕變的影響[8-9]。Drucker-Prager模型參數(shù)取值簡單,且克服了Mises準(zhǔn)則不能考慮靜水壓力對屈服與破壞影響的弱點。模型參數(shù)由常規(guī)三軸試驗與三軸流變試驗確定?；炷撩芏葹? 500 kg/m3,彈性模量為32.5 GPa,泊松比為0.2。樁土、墻土之間設(shè)置接觸面,接觸面采用硬接觸,接觸面只能傳遞壓力。計算參數(shù)見表1,表中K為線性Drucker-Prager模型中為使屈服面保持為凸面而設(shè)置的系數(shù),0.778≤K≤1.0;A、n、m為擴展Drucker-Prager蠕變模型時間硬化準(zhǔn)則的3個參數(shù)。

表1 土體有限元計算參數(shù)

2.4 施工過程的模擬

a. 通過在ABAQUS軟件中的keywords里面添加“initial conditions”語句,實現(xiàn)初始地應(yīng)力的施加,最終實現(xiàn)數(shù)量級為10-6的初始沉降模擬,效果良好。

b. 利用ABAQUS生死單元功能[7]“殺死”樁位處土體,并利用生死單元功能激活水閘(有空箱的情況下同時激活空箱)及相應(yīng)的接觸對,進行建筑物的施工模擬計算。

c. 同樣利用ABAQUS的生死單元功能,添加墻和墻后填土及墻-土接觸對,進行墻后填土的施工模擬計算。

d. 增加visco分析步驟,采用abaqus-explicit(顯示求解器)進行時效性計算。

3 計算結(jié)果及分析

為了分析設(shè)置空箱后對翼墻與水閘的影響,分別考慮了無空箱和有空箱2種方案。為了研究不同尺寸的空箱對地基不均勻沉降的影響,對有空箱方案進行了3種不同空箱尺寸的計算分析。

3.1 無空箱時翼墻軸向位移

無空箱時,翼墻在運行期的軸向(水流方向)位移見圖5。由圖5可見,運行240 d后,由于土體的蠕變及次固結(jié)作用,上下游翼墻均背離水閘方向產(chǎn)生了12 cm的位移;240 d后位移增長速度開始變緩,翼墻軸向位移逐步趨于穩(wěn)定。分析其原因,在地基土層蠕變及次固結(jié)作用下,軟土地基水平運動帶動樁和翼墻的軸向偏移,導(dǎo)致翼墻與閘室之間的變形縫增大。

圖5 無空箱時運行期翼墻軸向位移

3.2 空箱對軸向位移的影響

圖6 有空箱時運行期翼墻軸向位移

有空箱時，翼墻在運行期的軸向位移見圖6。由圖6可見,隨著時間的增長,空箱1翼墻的最終軸向位移為5.5 cm左右;空箱2和空箱3的計算結(jié)果比較接近,翼墻軸向位移控制在4.0 cm左右,有效抑制了軸向位移的發(fā)展。分析其原因,空箱的存在取代了邊墩和翼墻附近堤防的填土,減小了地基的附加應(yīng)力,土層因蠕變引起的水平位移大幅度減小,相應(yīng)減小了翼墻的水平位移,故可有效控制閘室與翼墻之間的變位。3種空箱翼墻的基底應(yīng)力不均勻系數(shù)分別為1.43、1.40和1.35,抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.57、1.85和1.90,滿足應(yīng)力及穩(wěn)定要求。從經(jīng)濟角度綜合考慮,本工程選用空箱2可起到良好地控制翼墻與水閘之間變形縫發(fā)展的效果。

分析可得出,軟土地基閘堤間所設(shè)置連接空箱的寬度,對控制翼墻與閘室變形縫的開展有重要影響,空箱的設(shè)置寬度應(yīng)與堤防高度H成正比。從計算結(jié)果來看,并考慮一定的裕度，空箱的設(shè)置寬度在0.8H～1.0H之間比較合適,類似工程可根據(jù)堤防高度設(shè)置空箱的寬度。

3.3 空箱對閘基灌注樁水平位移的影響

水閘底板鉆孔灌注樁共分5排7列,分別為A～E排、1～7列,用樁體所在的排和列表示樁位,如樁E4表示第E排樁、第4列樁。

有無空箱2種情況下水閘底板鉆孔灌注樁沿垂直水流方向的水平位移分別見圖7和圖8。由圖7可見,E排樁樁身中上部發(fā)生了較明顯的彎曲,位移達(dá)4.5 cm左右,由外向里樁身彎曲程度依次減弱。說明在填土作用下,樁體受橫向流動土體的作用發(fā)生彎曲,E排樁為最外排樁,靠填土區(qū)最近,其受堆載影響最明顯;靠里排的樁因為前排樁的遮攔作用[10-11],受影響程度依次減弱。

圖7 無空箱時樁身沿垂直水流方向的位移

圖8 有空箱時樁身沿垂直水流方向的位移(空箱寬度為7 m)

對比圖7、圖8可知,設(shè)置空箱后,樁體沿垂直水流方向的位移明顯減小。分析其原因,由于空箱的存在,取代了空箱位置的高填土,減小了作用在地基上的堆載,同時,空箱底部設(shè)置的鉆孔灌注樁提高了空箱地基的剛度,阻礙了土體的橫向流動。因此,設(shè)置空箱后減小了兩側(cè)堤防高填土對閘室樁體變形的影響,改善了閘室、翼墻基礎(chǔ)樁體的受力條件,減小了水閘與堤防之間的不均勻沉降。

從樁的水平位移來看,樁頂位移基本為零,主要原因是水閘底板受到兩側(cè)荷載的對稱支撐作用,限制了閘室的位移。從樁的受力條件來看,由于頂部位移為零,頂部以下位移越大,樁受到的彎矩越大。因此設(shè)置空箱后使樁的受力條件得到了較大的改善。

4 結(jié) 論

a. 采用空箱過渡水閘與堤防連接段地基,起到了保護閘室、改善閘室底板受力條件的作用,同時減小了高填土對閘室底板和翼墻樁體變形的影響,可大幅度改善樁基的受力條件,減小不均勻沉降和變位的發(fā)生。

b. 翼墻的軸向位移是由兩側(cè)堤防高填土使地基軟土產(chǎn)生水平運動所造成,軟土的水平運動導(dǎo)致翼墻基底樁的中上部產(chǎn)生較大的水平位移,從而引起翼墻的軸向偏移,導(dǎo)致翼墻與閘室之間的變形增大。

c. 軟土地基閘堤間設(shè)置空箱可有效減小翼墻的位移?？障涞膶挾葘刂埔韷εc閘室變形縫的開展有重要影響,合理的空箱尺寸不僅可以有效抑制翼墻與閘室間變形縫的開展,而且可以避免因空箱設(shè)置過大造成的投資浪費?？障涞脑O(shè)置寬度應(yīng)與堤防高度H成正比,初步認(rèn)為空箱寬度在0.8H～1.0H之間比較合適。

[ 1 ] 繆林昌.軟土力學(xué)特性與工程實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2012:1-50.

[ 2 ] SL 265—2001 水閘設(shè)計規(guī)范[S].

[ 3 ] 許正松.水閘整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究及空箱擋土墻的應(yīng)用[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[ 4 ] 李傳名,陳秀華.臨泉城西閘閘室段穩(wěn)定設(shè)計分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1998,21(3):121-125.(LI Chuanming,CHEN Xiuhua.Stability analysis in the design of Chengxi sluice in Linquan County[J].Journal of Hefei University of Technology:Natural Science,1998,21(3):121-125.(in Chinese))

[ 5 ] 王鈺棟,金磊,洪清泉,等.Hyper Mesh & Hyperview應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:105-131.

[ 6 ] 王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2006:168-198.

[ 7 ] 戚科駿,宰金珉,梅國雄.考慮土體固結(jié)的單樁-土-承臺非線性共同作用程序?qū)崿F(xiàn)[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,26 (3):6-11.(QI Kejun,ZAI Jinmin,MEI Guoxiong.Program for the nonlinear interaction of single pile-soil-raft considering soil consolidation[J].Journal of Nanjing University of Technology：Natural Science,2004,26(3):6-11.(in Chinese))

[ 8 ] 劉金龍,欒茂田,許成順,等.Drucker-Prager準(zhǔn)則參數(shù)特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006,25(增刊2):4009-4014.(LIU Jinlong,LUAN Maotian,XU Chengshun,et al.Study on parametric characters of Drucker-Prager criterion[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(Sup2):4009-4014.(in Chinese))

[ 9 ] 郭海柱,張慶賀,郭健.時間硬化與Drucker-Prager耦合蠕變模型的應(yīng)用研究[J].結(jié)構(gòu)工程,2008,24(3):117-121.(GUO Haizhu,ZHANG Qinghe,GUO Jian.Application study on time hardening and drucker-prager yield criterion coupled creep model of soil[J].Structural Engineering,2008,24(3):117-121.(in Chinese))

[10] 韓愛民,肖軍華,梅國雄.橫向流動土體作用下的群樁反應(yīng)性狀[J].巖土工程學(xué)報,2005,27(12):1464-1465.(HAN Aimin,XIAO Junhua,MEI Guoxiong.Behavior of pile groups subject to excavation-induced lateral soil movement [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(12):1463-1467.(in Chinese))

[11] 田美存,徐永福. 荷載傳遞法在群樁分析中的應(yīng)用[J]. 河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1997,25(1):62-67.(TIAN Meicun, XU Yongfu. Application of load transfer method to analysis of group piles[J]. Journal of Hohai University: Natural Sciences, 1997,25(1):62-67.(in Chinese))

Effect of the empty container on displacement of wings and pile foundation of the sluice in deep soft soil foundation//

PENG Yuan1, LIU Gang1, 2, YAN Qifang3, WANG Wenshuang3

(1.ZhejiangGuangchuanEngineeringConsultingLimitedCompany,Hangzhou310020,China; 2.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 3.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China)

In soft soil area, the large displacement usually occurs between the sluice pier and the wing, which results in seal failure and endangers the sluice’s safe operation. Thus, in this paper, the whole sluice model was established with finite element method, and for the soil body, using the Drucker-Prager constitutive model considering soil body creep law. Thus, the reason of the displacement and the influence of connecting empty container in gate side on wings and pile foundation were explored. The results indicate that the groundsill linking empty container transition sluice and sea wall has improved the stress conditions of the pile foundation and effectively controlled displacement of the wing. Further, a reasonable empty container size can not only effectively control displacement, but also avoid project investment waste due to excessive size.

sluice; connecting empty container; the segment between sluice and embankment; soft soil foundation; three dimensional finite element method; wing; pile foundation

彭淵(1980—),男,浙江江山人,高級工程師,主要從事水利工程咨詢及設(shè)計工作。E-mail:8162363@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.012

TV66

A

1006-7647(2015)03-0061-05

2014-03-21 編輯：駱超)