堤防裂縫成因及加固方案優(yōu)化研究

張士平 師昀巍 羅先啟

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，臺(tái)州 317200；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

堤防工程作為我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分，能夠有效抵御洪水的侵襲，但由于我國(guó)堤防工程建設(shè)歷史久遠(yuǎn)，隨著堤防服役使用時(shí)間的推移，其在運(yùn)行期間可能遭遇各類險(xiǎn)情，如散浸、裂縫、管涌、滲漏、滑坡等，嚴(yán)重威脅堤防工程的安全［1-3］。裂縫作為堤防險(xiǎn)情中常見(jiàn)的一種，其成因復(fù)雜，危害較大，通常會(huì)引起堤防的滲透變形，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)，折損工程的使用壽命，對(duì)裂縫成因的分析及加固方案的研究具有重要的社會(huì)效益。

以往對(duì)于堤防裂縫成因以定性分析為主，多通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)方法對(duì)裂縫形成機(jī)制和原因進(jìn)行推斷。吳偉功等［4］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)黃河大堤某堤段堤身土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明歷次堤身加高、培厚存在施工質(zhì)量差、碾壓不實(shí)等情況，使得堤身填土質(zhì)量普遍較差，為堤身裂縫的產(chǎn)生留下了隱患。胡崢嶸等［5］對(duì)長(zhǎng)江大堤堤頂裂縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，從設(shè)計(jì)、施工及堤防實(shí)際運(yùn)行情況等方面進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，堤基軟弱土層及水塘河道等薄弱處承受不住上部新填土的豎向力及下切力，造成新老堤防之間的不均勻沉降是導(dǎo)致堤頂產(chǎn)生裂縫的最主要原因。李薦華等［6］基于兩個(gè)水文年的堤防位移與沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)江濟(jì)益公堤裂縫形成原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，水位升降、結(jié)構(gòu)性軟土、上部結(jié)構(gòu)荷載三者的綜合作用導(dǎo)致了堤頂裂縫的產(chǎn)生。堤防裂縫成因定量分析成果較少，有代表性的有沈細(xì)中和馮夏庭［7］利用有限元方法模擬標(biāo)準(zhǔn)化堤防施工過(guò)程，進(jìn)行了多種特定工況分析，計(jì)算結(jié)果能夠反映堤身裂縫擴(kuò)展過(guò)程，且與實(shí)際情況相符。

目前堤防和路堤工程中軟基加固常用方法有換填法、強(qiáng)夯法、預(yù)壓法、化學(xué)加固法和復(fù)合地基法等［8-11］。其中復(fù)合地基法是指將一部分天然地基進(jìn)行人工置換或者人工加強(qiáng)，通過(guò)人工處理后的地基增強(qiáng)體與原有天然地基形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)外部荷載的一種人工地基［12］。水泥土攪拌樁是復(fù)合地基的一種，使用水泥作為固化劑，在地基深處將軟土與固化劑進(jìn)行攪拌，通過(guò)固化劑與軟土之間產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，使得土體強(qiáng)度大大提高。且因其可充分利用地基土，對(duì)地基擾動(dòng)小，同時(shí)加固形式多樣、造價(jià)低廉、污染小和施工便捷等特點(diǎn)，在堤防加固中也得到了廣泛的應(yīng)用［13-15］。王桂智等［16］總結(jié)歸納了水泥土攪拌樁在堤防加固工程中的方案設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)樁土分離原理及復(fù)合地基強(qiáng)度等效原理下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證和比較，計(jì)算思路及方法對(duì)于同類型堤防地基處理問(wèn)題能起到很好的借鑒作用。朱俊樸等［17］以湛江大道為工程背景，建立了路堤-地基-水泥土攪拌樁的有限元模型，研究了路基沉降變形規(guī)律。研究結(jié)果表明樁長(zhǎng)對(duì)于降低工后沉降效果并不顯著；工后沉降隨著樁體置換率增大而減小，但當(dāng)置換率超過(guò)一界限值后對(duì)于減小工后沉降效果并不明顯。

本文基于廣東某堤防工程實(shí)例，利用ABAQUS建立彈塑性模型，模擬了早期堤防施工過(guò)程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果，對(duì)裂縫成因進(jìn)行了分析。而后對(duì)除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行了優(yōu)化，并論證了方案的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

廣東某堤防工程全長(zhǎng)32 km，是堤路結(jié)合的構(gòu)筑物，堤防工程級(jí)別為2級(jí)，堤頂?shù)缆返燃?jí)標(biāo)準(zhǔn)為三級(jí)公路及城市次干路，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。經(jīng)過(guò)多年的使用運(yùn)行，堤頂路面目前出現(xiàn)了許多裂縫，有縱縫，也有橫縫，其中縱縫較多。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，初步判定多數(shù)裂縫為貫穿縫，對(duì)堤防的正常運(yùn)行造成威脅。

項(xiàng)目建設(shè)的主要內(nèi)容為對(duì)樁號(hào)14+230～15+030堤段進(jìn)行裂縫除險(xiǎn)加固，除險(xiǎn)加固堤堤段總長(zhǎng)約800 m。初步擬定的方案為挖除堤頂2.5 m土體，對(duì)開挖層以下部分堤身利用11 m長(zhǎng)間距1.2 m×1.2 m水泥土攪拌樁進(jìn)行加固處理，水泥土攪拌樁施工斷面圖如圖1所示。其中，樁號(hào)14+410～14+490，共80 m堤段由于受到橋底高度限制，改用高壓旋噴樁處理，直徑及長(zhǎng)度不變，間距改為1.5 m×1.5 m，最后回填土并鋪設(shè)土工格柵進(jìn)行加固處理重建堤防。經(jīng)預(yù)算發(fā)現(xiàn)該施工方案造價(jià)偏高，需結(jié)合堤防裂縫成因進(jìn)一步優(yōu)化加固方案以節(jié)省財(cái)政投資。

圖1 加固方案斷面圖（單位：mm）Fig.1 Section of reinforcement measure（Unit：mm）

2 裂縫成因分析

2.1 堤防縱向裂縫判別方法

2.1.1 傾度法

傾度或稱不均勻沉降系數(shù)γ的定義如下［7］：

式中：sa、sb分別為同一高程上a、b兩點(diǎn)的沉降量；l為同一高程上a、b兩點(diǎn)的水平距離。

2.1.2 拉應(yīng)變法

當(dāng)?shù)躺硗馏w的拉應(yīng)變大于土的極限拉應(yīng)變時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。拉應(yīng)變?chǔ)趴杀硎救缦拢?］：

式中，va、vb分別為同一高程上a、b兩點(diǎn)的水平位移。

2.2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

模擬堤防加固前堤身填筑施工過(guò)程，建立數(shù)值模型圖如圖2所示。對(duì)模型劃分四邊形網(wǎng)格，堤身填土采用平面四節(jié)點(diǎn)單元，堤基部分采用平面四節(jié)點(diǎn)孔壓?jiǎn)卧?，地下水位設(shè)于堤基表面。模型側(cè)面約束法向位移，底面約束兩個(gè)方向位移，側(cè)面和底面均為不透水邊界。土體采用摩爾庫(kù)倫模型描述，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定模型各土層參數(shù)取值如表1所示，堤身分四層填筑，施工進(jìn)程如圖3所示，其中堤頂車輛荷載按照城市B級(jí)，雙列車隊(duì)荷載20.5 kN/m2，人行道荷載3.5 kN/m2考慮［18］，本文中將荷載按照均布荷載施加于堤頂。

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

圖2 堤身填筑施工模型Fig.2 Construction model of dike filling

圖3 施工進(jìn)程圖Fig.3 Diagram of construction progress

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以1%作為土體開裂的臨界傾度值，以0.3%作為的臨界拉應(yīng)變值。施工過(guò)程中堤身傾度和拉應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)值如圖4所示。

圖4 傾度和拉應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)值Fig.4 Evaluation value of inclination and tensile strain

由圖4可知，填筑施工結(jié)束時(shí)，堤身傾度值達(dá)到0.99%，拉應(yīng)變值達(dá)到0.32%，隨著車輛超載的施加和運(yùn)行，兩項(xiàng)評(píng)價(jià)值隨著時(shí)間先顯著增加而后趨于穩(wěn)定，傾度值和拉應(yīng)變值最終分別穩(wěn)定在1.29%和0.5%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出臨界值。

根據(jù)觀測(cè)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況顯示，大堤裂縫走向基本上是以縱向?yàn)橹?，近似直線狀展布，如圖5所示。裂縫主要集中于堤頂?shù)闹虚g部位，裂縫寬度較大，縫寬多大于5 mm。根據(jù)連續(xù)觀測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，裂縫類型基本上屬于張裂縫，裂縫基本上沿垂直向下延伸，裂縫深度隨深度增加逐漸變小。

圖5 堤頂裂縫圖Fig.5 Diagram of crack on dike top

結(jié)合有限元模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)調(diào)查情況，可以推斷堤防裂縫產(chǎn)生原因如下：

（1）從裂縫的平面分布位置及裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析，裂縫的發(fā)生、發(fā)展與堤基地質(zhì)條件關(guān)系密切，對(duì)比發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)土分布廣泛堤段裂縫的發(fā)展迅速、裂縫寬度大于局部分布軟土、砂土的堤段。淤泥質(zhì)土含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，并有觸變性、流變性等特點(diǎn)，堤頂車輛荷載及行駛中產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)對(duì)堤防基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，且模擬結(jié)果顯示這一不均勻沉降值已超出安全值。車輛超載及堤身下部軟土性質(zhì)是產(chǎn)生堤防裂縫的主要原因。

（2）對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的路段，由于雨水滲入裂縫，使得堤身土料含水量增加，堤身抗剪強(qiáng)度減小。同時(shí)在地下水滲流作用下，易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致裂縫寬度及沉降差進(jìn)一步增加。

綜上所述，導(dǎo)致堤頂出現(xiàn)裂縫的主要原因是車輛的超載及地下軟塑狀淤泥質(zhì)土層的沉降固結(jié)所引起的不均勻沉降，其他因素則加劇了裂縫的發(fā)育程度。

3 加固方案優(yōu)化

依據(jù)勘察堤身填土層試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，堤身填土以硬塑和堅(jiān)硬狀態(tài)為主，填土承載力較高，壓實(shí)度較好。根據(jù)上節(jié)分析可知，堤防裂縫形成的主要原因是超載作用下造成的不均勻沉降，因此需要對(duì)堤基下部的淤泥質(zhì)土進(jìn)行處理。綜合經(jīng)濟(jì)性與適用性，優(yōu)化方案仍選用水泥土攪拌樁對(duì)堤基進(jìn)行處理，而后回填土并鋪設(shè)土工格柵。樁體布置改為如圖6所示梅花形布樁形式，并在原基礎(chǔ)方案上增大樁間距至1.5 m。水泥土攪拌樁樁徑為500 mm，選用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，水泥摻量16.7%，水灰比為0.5。水泥土攪拌樁參數(shù)為E0=180MPa，μ=0.18，cp=200MPa，φp=30°；土工格柵按照不受壓線彈性材料考慮，參數(shù)為E0=26GPa，μ=0.33。

圖6 樁體布置圖Fig.6 Diagram of pile layout

3.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

堤防整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013）所推薦的瑞典圓弧法［19］。計(jì)算時(shí)將復(fù)合地基土體作為具有復(fù)合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)csp、φsp的土體［20］：

式中：cs、φs為天然土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；cp、φp為樁體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；m為水泥攪拌樁面積置換率，取8.72%。

因堤防除險(xiǎn)加固施工主要是對(duì)堤防進(jìn)行裂縫處理，方案中僅對(duì)堤防上部2.5 m深的表層進(jìn)行開挖回填處理，未對(duì)堤防進(jìn)行整體填筑，本次穩(wěn)定計(jì)算工況僅考慮正常運(yùn)用條件，計(jì)算工況如下：

（1）左岸水位由7.714 m驟降至4.874 m，右岸水位4.874 m情況下左岸堤坡穩(wěn)定性；

（2）左岸水位3.744 m，右岸水位5.244 m情況下穩(wěn)定滲流期的左岸堤坡穩(wěn)定性；

（3）左岸水位1.494 m，右岸水位由5.494 m驟降至3.044 m情況下右岸堤坡的穩(wěn)定性；

（4）左岸水位7.714 m，右岸水位4.874 m情況下穩(wěn)定滲流期的右岸堤坡的穩(wěn)定性。

利用Geo-studio軟件計(jì)算堤頂荷載選取城市B級(jí)荷載和40 kN/m3情況下四種工況安全系數(shù)，如表2所示，得到的安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定最小安全系數(shù)1.25［16］，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 安全系數(shù)計(jì)算值Table 2 Value of safety factor

3.2 樁體加固堤防三維模型

選取圖6中陰影部分所示對(duì)稱單元進(jìn)行分析，可忽略堤段兩端半根樁的微小影響，建立如圖7所示的三維模型。模型的四個(gè)側(cè)面約束法向位移，底面約束三個(gè)方向位移，選用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。樁身、樁端與土體間設(shè)置接觸單元，選擇樁身及樁端面作為主面，對(duì)應(yīng)的土體部分為從面，樁周土體網(wǎng)格需要加密，樁身上的網(wǎng)格密度小于樁周土體密度。接觸面法向行為設(shè)為硬接觸，切向行為設(shè)為罰摩擦，摩擦系數(shù)取0.2。水泥土樁采用實(shí)體單元，土工格柵采用膜單元。

圖7 樁體加固模型Fig.7 Pile reinforcement model

模型分析過(guò)程如下：首先在移除堤頂回填土部分狀態(tài)下進(jìn)行地應(yīng)力平衡，接著挖去樁體對(duì)應(yīng)的土體，激活樁體和約束，施加較小的載荷使得接觸關(guān)系平穩(wěn)地建立起來(lái)，而后分步施加全部載荷并激活填土和土工格柵。由于拌入軟土中的水泥漿重度與軟土的重度相近，所以水泥土重度與天然軟土重度相近，采用水泥土攪拌樁加固地基時(shí)，其加固部分對(duì)未加固部分不致產(chǎn)生較大的附加沉降，因此選取地基處理結(jié)束時(shí)刻作為初始時(shí)刻，以后施加荷載計(jì)算所得的位移都是相對(duì)于此刻的位移。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

選取復(fù)合地基表面與樁端面進(jìn)行分析，在兩個(gè)深度平面上分別選取樁間土斷面與樁斷面進(jìn)行沉降變化規(guī)律研究。圖8和圖9分別示出了樁斷面和樁間土斷面復(fù)合地基表面的沉降量。由圖可見(jiàn)，兩個(gè)斷面上沉降變化規(guī)律類似，地基中心附近沉降量最大，沿兩側(cè)逐漸減小。

圖8 地基表面沉降曲線（樁斷面）Fig.8 Settlement curve of foundation surface plane（pile section）

圖9 地基表面沉降曲線（樁間土斷面）Fig.9 Settlement curve of foundation surface plane（soil section between piles）

樁斷面和樁間土斷面樁端層的沉降量分別如圖10和圖11所示。由圖可見(jiàn)，樁端層的樁間土斷面沉降變化與復(fù)合地基表面類似，最大沉降量出現(xiàn)在地基中心附近，沉降變化比較均勻。而樁斷面處沉降曲線有較明顯的鋸齒現(xiàn)象，這是由于樁體的彈性模量遠(yuǎn)大于土體的彈性模量，樁體豎向變形比較小而土體模量變形較大，樁土間產(chǎn)生了差異沉降。

圖10 樁端面沉降曲線（樁斷面）Fig.10 Settlement curve of pile end plane（pile section）

圖11 樁端面沉降曲線（樁間土斷面）Fig.11 Settlement curve of pile end plane（soil section between piles）

采用優(yōu)化后方案堤身土體的傾度值和拉應(yīng)變值分別為0.21%和0.047%，遠(yuǎn)小于臨界值。樁端面和復(fù)合地基表面最大沉降量分別為21.72 mm和45.98 mm，也能夠滿足工程需求。可見(jiàn)，原方案中樁體面積置換率高，所需樁體數(shù)量大，增大施工成本的同時(shí)也可能導(dǎo)致部分樁體不能夠充分發(fā)揮其作用，造成浪費(fèi)。因此，復(fù)合地基處理時(shí)應(yīng)注意選取合理的面積置換率。利用優(yōu)化后方案加固的720 m堤段共可節(jié)省4 083根水泥土攪拌樁，可減少資金投入約448萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

本文基于廣東某堤防除險(xiǎn)加固工程實(shí)例，利用ABAQUS建立數(shù)值模型，模擬了堤防施工過(guò)程，分析了堤頂裂縫成因，給出了優(yōu)化后的加固方案并驗(yàn)證了方案可行性。通過(guò)研究分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）堤身下部軟弱土層在堤頂超載作用產(chǎn)生的不均勻沉降是堤頂縱向裂縫產(chǎn)生的主要原因。雨水入滲、地下水滲流等因素則進(jìn)一步導(dǎo)致裂縫的加深、加長(zhǎng)，而裂縫的加深加長(zhǎng)又會(huì)加大入滲和滲流量，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)，加劇堤防裂縫的發(fā)展。

（2）水泥土攪拌樁加固堤防軟基能夠顯著提高堤防穩(wěn)定性并減少不均勻沉降，但在工程中需結(jié)合實(shí)際情況合理確定樁體置換率。