復(fù)雜堤防加固設(shè)計(jì)的有限元數(shù)值分析

王政平,何寶根,李曉旭

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

廣西梧州某堤防是梧州市的重要城防工程，規(guī)劃擋洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。一期工程設(shè)計(jì)擋洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，在2005年超標(biāo)洪水作用下漫頂(圖1)，發(fā)生大變位，造成堤后設(shè)施起拱、破壞(圖2)，也給附近建筑帶來安全隱患。2009年對大變位堤段采用水泥漿對上部樁周土體進(jìn)行了充填灌漿，實(shí)施一期補(bǔ)強(qiáng)(圖3)，現(xiàn)實(shí)施二期達(dá)標(biāo)工程，將堤防擋洪標(biāo)提到50年一遇。

該堤防堤身為混凝土擋墻，基礎(chǔ)采用直徑1 m長28 m的混凝土灌注樁，間排距均為3 m，地表為厚約10 m的雜填土，擋水時(shí)，樁、承臺和堤身分別與地基土發(fā)生作用，各作用的大小分配比例與變位有關(guān)，且十分復(fù)雜；雜填土地基有較大的壓縮性，同時(shí)受結(jié)構(gòu)擠壓和滲透壓力作用，自身變形復(fù)雜；地基局部充填灌漿補(bǔ)強(qiáng)加劇了堤基的復(fù)雜程度；混凝土灌注樁截面為圓形，且離散布置，因此堤防變位是十分復(fù)雜的空間非線性過程，常用的M法、K法等均無法全面表達(dá)樁、地基及堤身的相互作用和變位特征，難以判斷堤防在洪水作用下的變位機(jī)理[1]。

堤防擋水能力和變位的準(zhǔn)確分析是堤防安全設(shè)計(jì)、加固補(bǔ)強(qiáng)的重要前提和必要保證?；诠こ虒?shí)際，建立“堤防-樁-地基”的三維數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)反演參數(shù)，計(jì)算了未加固堤防擋洪的變位復(fù)核現(xiàn)狀堤防的擋洪能力，研究加固的必要性。若有必要，提出合適的加固方案。

1 計(jì)算分析與原理

堤防擋水前，堤基已穩(wěn)定，堤身具有初始地應(yīng)力。擋水時(shí)堤身作用有靜水壓力、揚(yáng)壓力；堤基產(chǎn)生孔隙水壓力和超孔隙水壓力；堤身、承臺和樁分別受被動土壓力，其分配比例與變位有關(guān)。采用地下連續(xù)墻加固堤防時(shí)，連續(xù)墻、土體、樁基和堤身形成復(fù)雜的空間彈性體系；連續(xù)墻和樁基的剛度差異大，其抗力分配非常復(fù)雜。因此，地基、堤防、樁基及加固體系的變位分析和內(nèi)力傳遞非常復(fù)雜。

堤防變位包含堤身變位和地基變形，其中地基變形包括受樁和堤身擠壓的變形和受滲透力的變形。地基存在滲流場采用流固耦合算法[2]，樁、承臺和堤身與土的作用采用接觸算法[3]。根據(jù)滲流方程對地基進(jìn)行滲流分析[4]，確定底板揚(yáng)壓力、防滲墻前后的水壓力和地基的孔隙水壓力；再進(jìn)行應(yīng)力初始化，其中孔隙水壓力和超孔隙水壓力與結(jié)構(gòu)耦合。堤防擋洪壓力按靜水壓力計(jì)算，土層、樁和堤身界面的接觸采用了面-面接觸。運(yùn)用材料本構(gòu)[5-7]、有限元理論[8-9]、計(jì)算方法[10]和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)[11]，研究軟土樁基堤防的變位特性。變位計(jì)算包括地應(yīng)初始化、開挖、混凝土結(jié)構(gòu)灌注、回填夯實(shí)、灌漿和擋水(流固耦合)等步驟。

2 有限元計(jì)算模型

堤防樁基采用3排樁，排距為3 m，沿堤軸線間距為3.2 m，均勻?qū)ΨQ布置，取1.5個(gè)結(jié)構(gòu)段即4.8 m長進(jìn)行研究。根據(jù)堤防設(shè)計(jì)方案和地質(zhì)資料，等比例建立空間有限元模型(圖4)。網(wǎng)格劃分反映結(jié)構(gòu)幾何特征(16萬個(gè)單元，18萬個(gè)節(jié)點(diǎn))，模型均采用實(shí)體單元(全積分S/R體單元)。

3 材料本構(gòu)及主要物理特性

工程涉及的建材主要是鋼筋混凝土及地基各地質(zhì)層。鋼筋混凝土本構(gòu)采用整體式的理想彈性模型，σ=Eε。地基各土層采用彈塑性Mohr-Coulomb模型[5]。摩爾-庫倫模型的屈服函數(shù)為:τn=C+σntanφ，τn為剪切面上的剪應(yīng)力；σn為剪切面上的正應(yīng)力；C為巖土類材料的黏聚力；φ為巖土類材料的摩擦角。

堤身及樁基采用C20鋼筋混凝土(鋼筋體積百分比1%)，主要特性見表1；堤防地基各土層主要物理特性見表2。

表1 堤身及樁主要參數(shù)

表2 各土層參數(shù)建議值

4 計(jì)算參數(shù)和模型的率定

堤身結(jié)構(gòu)與地基的作用十分復(fù)雜，且地基雜填土深厚，在2005年超標(biāo)洪水下發(fā)生大變位，2009年對堤基進(jìn)行了加固補(bǔ)強(qiáng)，因此，計(jì)算參數(shù)和模型難以直接確定，有必要根據(jù)觀測值數(shù)據(jù)對參數(shù)和模型進(jìn)行率定。雜填土位于最上層，且覆蓋深厚，經(jīng)大量試算，雜填土和充填灌漿土體的E100-200、C和φ是堤防變位最主要的控制因素，因此對其進(jìn)行反演。

一期充填灌漿后的堤防斷面(圖3)在堤內(nèi)水位均取20.0 m，外江水位分別為21.85、22.5 m時(shí)，堤頂變位觀測值分別為1.10、1.52 cm。經(jīng)大量組合試算和反演，雜填土和充填灌漿土體E100-200分別取10.5、80 kPa，C值分別為4.9、22 kPa，φ分別為9°、25°，其他參數(shù)見表2。經(jīng)率定的計(jì)算模型和參數(shù)具有較高的可信度，將在后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)、加固計(jì)算中采用。

一期堤基滲徑及堤防水平變位云圖分別見圖5、6。滲徑于防滲墻底端繞行，并于堤后集中排出。堤身最大位移位于堤頂，承臺和堤身發(fā)生水平位移的同時(shí)，堤身懸肩結(jié)構(gòu)也發(fā)生了微小的逆時(shí)鐘偏轉(zhuǎn)；堤身、承臺和樁向堤后發(fā)生位移，同時(shí)承臺附近較大范圍的地基土也向堤后變位，越靠近承臺，變位越大，且承臺后地基土的變位主要呈向上趨勢，這是因?yàn)榈鼗潦芙Y(jié)構(gòu)向堤內(nèi)擠壓的同時(shí)還受到向上的滲透壓力(超孔隙水壓力)作用。

5 未加固時(shí)堤防達(dá)標(biāo)復(fù)核

達(dá)標(biāo)加固前，須對現(xiàn)狀堤防的擋洪能力進(jìn)行復(fù)核，研究其擋達(dá)標(biāo)洪水的可能性和加固的必要性。

外江為50年一遇達(dá)標(biāo)洪水時(shí)，外、內(nèi)江水位分別為27.1、20.5 m；根據(jù)反演，雜填土和充填灌漿土體C值分別為4.9、22 kPa，其他參數(shù)同表2。對堤防擋水情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

由于土體灌漿后滲透系數(shù)減小，地基滲徑相對于灌漿前下移，見圖7；堤身變位分布與灌漿前相似，承臺在水平向內(nèi)的同時(shí)，發(fā)生了微小的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，最大位移在堤頂，承臺和堤頂?shù)乃轿灰品謩e為5.0、5.8 cm，見圖8。堤防的變位包含兩部分，一部分是堤身混凝土結(jié)構(gòu)的變形，另一部分為堤基在結(jié)構(gòu)擠壓和地下水滲透壓力下的變形。

由于樁基變形較大，引起樁基樁頂較高的應(yīng)力和彎矩；左、中、右排樁樁頂應(yīng)力依次減小，見圖9；經(jīng)積分計(jì)算，樁頂內(nèi)力列于表3。

表3 地下連續(xù)墻加固前后結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

表3表明，樁基軸力均為壓，數(shù)值上由左向右依次減少，符合擋洪水平力引起的承臺偏心受壓規(guī)律；按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[12]，承臺下左、中、右排樁樁頂?shù)募袅蛷澗貞?yīng)相同，但這里各排樁的剪力和彎矩相差較大，且依次減少。經(jīng)研究，造成樁基剪力和彎矩差異的原因是樁周土體應(yīng)變上的差異。

擋洪時(shí)，地基應(yīng)變主要發(fā)生在內(nèi)排樁的內(nèi)側(cè)，因此該區(qū)土體是產(chǎn)生水平抗力的主要部分；樁間土隨樁位移發(fā)生了水平平動，故應(yīng)變并不明顯，見圖10。內(nèi)排樁的內(nèi)側(cè)地基土的軟弱是樁基水平變位的重要原因。

未加固時(shí)，堤防位移太大，表明前期(一期)充填灌漿對堤防達(dá)標(biāo)變位的控制效果十分有限，要進(jìn)一步控制堤防變位，必須采取其他加固措施。

6 達(dá)標(biāo)加固方案與分析

堤后為公路，附近有密集民居，作業(yè)空間有限。根據(jù)工程地質(zhì)條件及防洪墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)比選，提出在堤內(nèi)增設(shè)C25地下連續(xù)墻，通過C25水平聯(lián)系梁與原樁基承臺形成整體共同作用，提升堤防水平剛度(圖11)。連續(xù)墻厚1.2 m，深12 m；連續(xù)梁寬0.6 m，高2.5 m，水平間距3.2 m。連續(xù)梁與堤防承臺和連續(xù)墻通過鋼筋錨固。

經(jīng)計(jì)算，承臺、地下連續(xù)墻、堤防及之間的地基土均向后邊變位，堤防順時(shí)鐘微小偏轉(zhuǎn)；最大水平位移為2.2 cm，位于防滲心墻13.0 m高程處；承臺和墻頂水平位移分別為2.0、1.9 cm；位移得到了有效控制。堤后地基土向左變形，同時(shí)向上變位。堤防水平變位見圖11、12。

地下連續(xù)墻受到聯(lián)系梁偏心水平推力和垂直紙面向外的彎矩，連續(xù)墻的內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓，中部向堤內(nèi)凸；在水平聯(lián)系梁的下界處彎矩最大。

聯(lián)系梁右端受到向下的剪力，向左的推力和垂直紙面向外的彎矩；左端受到向上的剪力，向右的推力和垂直紙面向外的彎矩；梁的上部受拉，下部受壓，呈上拱趨勢。

連續(xù)墻、水平聯(lián)系梁出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，而樁頂應(yīng)力較?。煌ㄟ^對單元進(jìn)行應(yīng)力積分，計(jì)算結(jié)構(gòu)特征斷面的內(nèi)力于表4。表4表明，樁頂?shù)募袅σ呀?jīng)很小了，水平聯(lián)系梁的軸力較大，表明地下連續(xù)墻的水平剛度遠(yuǎn)大于樁基，連續(xù)墻分載了絕大部分水平荷載。

根據(jù)表4，對樁原設(shè)計(jì)的配筋進(jìn)行復(fù)核，原配筋滿足規(guī)范要求；對水平聯(lián)系梁和地下連續(xù)墻分別進(jìn)行經(jīng)配筋計(jì)算，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，均可以常規(guī)配筋，這表明達(dá)標(biāo)加固方案滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

對比加固前后樁基內(nèi)力于表5。表5表明加固方案改變了樁基的受力特點(diǎn)。未加固時(shí)，左、中、右排樁基均受壓，數(shù)值上依次減少，承臺逆時(shí)鐘微小偏轉(zhuǎn)，堤防最大位移位于堤頂；加固后，承臺受水平聯(lián)系梁的約束，受到水平向右的推力的同時(shí)，受到向上的剪力和垂直紙面向里的彎矩，這種作用已經(jīng)超過了洪水對承臺引起的偏心受壓，因而出現(xiàn)左排樁受拉，中、右排樁受壓，承臺順時(shí)鐘微小偏轉(zhuǎn)。

結(jié)構(gòu)部件位置軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)右排單根樁樁頂水平面960-12-21中排單根樁樁頂水平面-33496-190左排單根樁樁頂水平面-1 640245-393單片水平支撐與承臺連接處垂直面-1 5007673 433地下連續(xù)墻(長3.2 m)水平支撐下界的水平面-1 800-8473 893

注：軸力正為拉，剪力繞隔離體順時(shí)針為正，彎矩垂直紙面向內(nèi)為正；反之相反。外江側(cè)樁為右排樁，內(nèi)江側(cè)樁為左排樁。下同

表5 地下連續(xù)墻加固前后結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

7 結(jié)論與建議

建立“堤防-樁-地基”的三維流固耦合數(shù)學(xué)模型，通過堤防變位觀測值反演計(jì)算模型和參數(shù)，獲得較準(zhǔn)確的計(jì)算模型和參數(shù)。

根據(jù)反演成果，計(jì)算堤防未加固擋洪情況位移太大，表明對現(xiàn)狀堤防加固是必要的；地基應(yīng)變主要發(fā)生在內(nèi)排樁的內(nèi)側(cè)，內(nèi)排樁的內(nèi)側(cè)地基土的軟弱是樁基水平變位的重要原因；樁周土體應(yīng)變上的差異造成樁基剪力和變矩差異。

提出在堤后增設(shè)地下連續(xù)墻，通過水平連續(xù)梁與原樁基共同受力的方案進(jìn)行加固，計(jì)算表明該方案可較好地控制堤防位移，雖改變了原有樁基的受力特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍滿足規(guī)范要求。

研究表明：經(jīng)觀測率定的數(shù)值分析方法和成果為復(fù)雜地基堤防加固的研究和設(shè)計(jì)提供了有效、可靠的參考和依據(jù)。