地基水泥土攪拌樁對(duì)水閘長(zhǎng)效服役的變形影響分析

吳 強(qiáng)，歐 斌，黃 丹

(1.九江市柴桑區(qū)水利事務(wù)中心，江西 九江 332101，2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201，3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)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(diào)水、防洪、輸水、擋潮及交通運(yùn)輸?shù)茸饔?，尤其是平原地區(qū)河流、湖泊和出?？诘人w流域[1]。在平原地區(qū)和河流下游，較多的水閘存在閘基覆蓋層較厚的地質(zhì)情況，需要做地基處理以提高水閘的安全穩(wěn)定性[2- 3]。目前對(duì)于水閘地基深覆蓋層的研究較多，如蔣達(dá)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(jì)算研究了水閘的沉降特性[4]；鄧?yán)硐氲热送ㄟ^(guò)三維有限元軟件研究計(jì)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?yán)硐氲热诉€就鏨高水電站深覆蓋層的泄洪沖沙閘基礎(chǔ)地震動(dòng)力問(wèn)題采用Abaqus有限元軟件計(jì)算分析了其永久變形[6]。為了提高深覆蓋層上的水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，特別是長(zhǎng)期服役后水閘樞紐的安全性，需要對(duì)深覆蓋層的地基進(jìn)行加固處理。對(duì)于深覆蓋層地基加固處理措施和方案因不同地形地質(zhì)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(jié)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(duì)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(yīng)用較多。水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，在地基內(nèi)通過(guò)將軟土或砂等固化劑拌合，從而提高土基的穩(wěn)定強(qiáng)度；具有施工方便、加固作用強(qiáng)和工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[8]。鉆孔灌注樁是通過(guò)機(jī)械鉆孔在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)放置鋼筋籠，灌注混凝土做成樁，靠樁承受外部荷載，其優(yōu)點(diǎn)為承載力高、施工方便、適用范圍大和適用于復(fù)雜地質(zhì)條件等[9]。

目前，隨著施工技術(shù)和工藝以及建筑材料的發(fā)展，各種水閘地基處理方案和措施被應(yīng)用到具體的工程中。因此關(guān)于深覆蓋層的地基處理對(duì)水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究成果較多。如劉會(huì)橋通過(guò)粉噴樁的樁土沉降、樁土應(yīng)力比、孔隙水壓力、水平方向位移4個(gè)參數(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)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(guò)ABAQUS有限元計(jì)算軟件計(jì)算研究了采用碎石樁加固某進(jìn)水閘粉砂地基前后的水閘變形沉降[11]；蔣愛(ài)辭等人研究了PHC樁及水泥攪拌樁聯(lián)合技術(shù)在水閘地基處理中的應(yīng)用問(wèn)題，相應(yīng)地求解了單樁豎向承載力、復(fù)合地基承載力以及確定了樁長(zhǎng)、樁徑及樁間距[12]；王西青介紹了水閘軟土地基處理中預(yù)制高強(qiáng)混凝土管樁設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法[13]。由此可知，當(dāng)前的研究主要集中在施工和建設(shè)過(guò)程中，各種地基處理方案對(duì)水閘結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的影響，對(duì)于在水閘長(zhǎng)期服役情況下，經(jīng)過(guò)地基處理后的水閘結(jié)構(gòu)變形影響的研究較少，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。為此，本文通過(guò)實(shí)際工程案例，采用三維有限元計(jì)算方法，計(jì)算了經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后的水閘的結(jié)構(gòu)變形，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析了地基處理在水閘長(zhǎng)期服役后對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。這對(duì)同類水閘工程的結(jié)構(gòu)計(jì)算和評(píng)價(jià)研究具有重要的工程價(jià)值。

2 考慮樁地基處理的水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

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

2.1 水閘結(jié)構(gòu)有限元本構(gòu)模型

2.1.1有限元模型的基本假定

由于水閘工程中地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，在進(jìn)行地基加固的模擬過(guò)程中，為使得計(jì)算在較為合理的基礎(chǔ)上模型盡量簡(jiǎn)單，對(duì)閘室地基加固的模型進(jìn)行分析時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的假定及簡(jiǎn)化：閘室底板及閘室只考慮其彈性變形，假定材料為勻質(zhì)，且為彈性材料，不考慮混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形等因素；在水閘正常服役期間，即未發(fā)生傾覆的情況下，加固樁與土體、閘室底板與墊層為相對(duì)有限滑動(dòng)位移。

2.1.2有限元模型計(jì)算的基本理論

在采用有限單元法對(duì)水閘進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)。首先需要對(duì)結(jié)構(gòu)離散化。當(dāng)用結(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，則假定位移是坐標(biāo)的某種函數(shù)的位移模式。根據(jù)所確定的位移模式，從而可以用結(jié)點(diǎn)表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移關(guān)系[15]。

u=Nδe

(1)

式中，u—單元內(nèi)某點(diǎn)的位移分量；δe—單元結(jié)點(diǎn)的位移分量；N—形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù)。單元內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力分別為：

ε=LTNδe=Bδe

(2)

σ=Dε=DBδe=Sδe

(3)

式中，B、S—應(yīng)變矩陣、應(yīng)力矩陣。

將式(1)代入系統(tǒng)勢(shì)能π的表達(dá)式，得到：

(4)

根據(jù)最小勢(shì)能原理，式中勢(shì)能的變分為零，故：

(5)

由于結(jié)點(diǎn)位移向量δe的任意性，有：

(6)

上式可以轉(zhuǎn)為：

Keδe=fe

(7)

式中，Ke—單元?jiǎng)偠染仃?；fe—等效結(jié)點(diǎn)力。其表達(dá)式分別為：

(8)

(9)

(10)

(11)

通過(guò)集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程。要求所有相鄰的單元在公共結(jié)點(diǎn)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(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位移向量δ表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程：

Kδ=f

(12)

對(duì)方程(12)進(jìn)行適當(dāng)修改以考慮結(jié)構(gòu)的邊界條件后解出結(jié)點(diǎn)位移δ，然后利用單元特性計(jì)算單元應(yīng)力或內(nèi)力。

2.2 接觸單元

為了較為精確地模擬計(jì)算水閘的變形，需要對(duì)水閘材料變形特性差異較大的區(qū)域設(shè)置接觸單元以協(xié)調(diào)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(duì)于水閘結(jié)構(gòu)本身為小變形，則水閘不同材料接觸間的滑動(dòng)為有限滑動(dòng)。因此，由水閘材料的滑動(dòng)屬性，本文引入標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)倫摩擦模型模擬其接觸。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)倫摩擦模型需要設(shè)置接觸對(duì)用來(lái)模擬材料間的摩擦滑動(dòng)。其一為主滑動(dòng)面，另一則為從滑動(dòng)面。本文在水閘底板和地基之間以及地基和樁之間設(shè)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(jì)算的基本荷載與計(jì)算流程

水閘工程有限元計(jì)算的外部基本荷載一般包括結(jié)構(gòu)的自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力等。各部分荷載具體計(jì)算要求詳見(jiàn)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)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(jì)算流程主要分為6步：①根據(jù)工程資料進(jìn)行三維有限元建模；②對(duì)進(jìn)行深覆蓋層的地基地應(yīng)力平衡；③根據(jù)工況要求，確定基本荷載的組合情況；④進(jìn)行三維有限元計(jì)算，分別計(jì)算運(yùn)行第1年和15年的結(jié)構(gòu)變形；⑤同第4步，計(jì)算沒(méi)有進(jìn)行地基處理的水閘結(jié)構(gòu)變形；⑥對(duì)比分析水閘變形的結(jié)果，研究地基處理對(duì)水閘穩(wěn)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(zhǎng)江下游的支流入江口，水閘處在深覆蓋土層上，需要進(jìn)行地基處理。地基處理方案為閘室設(shè)地下板樁連續(xù)墻，起穩(wěn)定和防滲2個(gè)作用；在水閘的閘左和閘右進(jìn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)模型

該水閘樞紐的三維有限元計(jì)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(chǔ)。水閘地基的深覆蓋層按地質(zhì)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(gè)，其中閘室單元有62542個(gè)，深覆蓋層土基單元有192464個(gè)，板樁和水泥土攪拌樁單元為19906個(gè)。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(shù)

水閘的閘室、地下板樁等均采用C30混凝土，護(hù)坡采用M20漿砌石?；炷梁蜐{砌石的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。深覆蓋層的土層按力學(xué)性質(zhì)分為5層，由淺及深的地基土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。水泥土攪拌樁三維有限元的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 水閘混凝土及漿砌石線性材料的力學(xué)參數(shù)

表2 水閘深覆蓋層各土層力學(xué)參數(shù)(由淺及深)

表3 水泥土攪拌樁的力學(xué)參數(shù)

3.3 考慮地基處理的有限元結(jié)果與分析

由以上確定有限元模型的各不同材料參數(shù)，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(shè)計(jì)工況荷載，水位取設(shè)計(jì)水位。在進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡之后，輸入模式參數(shù)及施加模型荷載，從而可以得到計(jì)算結(jié)果。由于要比較經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁地基處理對(duì)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(lái)自地基的切向荷載。該閘為雙向擋水閘，則順河向位移對(duì)評(píng)價(jià)水閘結(jié)構(gòu)安全較為關(guān)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(jié)構(gòu)順河向位移在服役第1年和第15年的結(jié)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(duì)水閘變形的影響，將水泥土攪拌樁在模型中刪除后再進(jìn)行如上計(jì)算。其未進(jìn)行水泥土攪拌樁處理的閘室結(jié)構(gòu)順河向位移在服役第1年和第15年的結(jié)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(shè)計(jì)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(jìn)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(jīng)過(guò)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(jìn)行水泥土攪拌樁地基處理的水閘的變形較大，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性較差，對(duì)處在深覆蓋層的水閘進(jìn)行地基加固十分必要。

4 結(jié)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(jì)算方法，重點(diǎn)對(duì)比分析了水閘在經(jīng)過(guò)樁基處理和未經(jīng)過(guò)樁基處理2種情況對(duì)水閘長(zhǎng)期服役的結(jié)構(gòu)變形影響。

(2)由結(jié)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(jīng)過(guò)地基處理的水閘變形明顯增大，不利于結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。該計(jì)算方法可為同類地基處理的水閘計(jì)算提供借鑒，具有工程意義和推廣價(jià)值。