基于PLAXIS的灌注樁加固堤防邊坡深度優(yōu)化設(shè)計研究

莎莎

(湖北省漳河工程管理局， 湖北 荊門 448156)

基于PLAXIS的灌注樁加固堤防邊坡深度優(yōu)化設(shè)計研究

李鋒李莎莎

(湖北省漳河工程管理局， 湖北 荊門 448156)

為了優(yōu)化瀨溪河堤防工程邊坡灌注樁的設(shè)計深度，本文提出采用有限元軟件PLAXIS對3種不同樁體深度下堤防在穩(wěn)定滲流期和水位消落期兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性、滑裂面和樁體彎矩進(jìn)行計算分析。經(jīng)計算，該工程斷面灌注樁最優(yōu)設(shè)計深度為12m，既能滿足穩(wěn)定性要求，又更加經(jīng)濟(jì)合理。計算過程可為同類堤防工程的加固設(shè)計提供參考。

堤防；PLAXIS；穩(wěn)定性；彎矩；安全系數(shù)

1 工程概況

瀘縣城區(qū)瀨溪河堤防工程全長2.4km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防工程級別為4級，設(shè)計堤型為復(fù)合式堤型，堤身采用石碴填筑，設(shè)計堤線基本沿河岸布置。該堤防工程區(qū)地勢總體由北向南傾斜，丘頂高程316.00～360.00m，相對高差10～30m，最大高差約70m，區(qū)內(nèi)山梁縱橫，山梁之間廣布浸蝕洼地，構(gòu)造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌是區(qū)內(nèi)兩大地貌單元。該區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌主要受巖性控制，形成園頂山、饅頭山及梯狀平臺地貌景觀，山間為寬緩沖溝及洼地。

工程區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化、卸荷、崩塌及兩處蠕變體等，在陡坎、陡崖段多見有卸荷裂隙。由于構(gòu)造裂隙的切割及巖層產(chǎn)狀的控制，岸坡巖體在重力作用下零星塌落于坡腳，形成崩塌堆積體，但規(guī)模不大。蠕變體成分以粉質(zhì)黏土為主，頂部多處半飽和狀，底部處于飽和狀態(tài)，后緣出現(xiàn)拉裂縫呈陡坎狀，蠕變體后緣拉裂縫出現(xiàn)30～50cm的高差，為不穩(wěn)定邊坡。

堤防邊坡穩(wěn)定性受水位變化影響較大，其穩(wěn)定性計算相對于一般的工程邊坡更為復(fù)雜，給堤防灌注樁設(shè)計帶來不便[1-3]。因此，有必要對不同工況下堤防邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計算，為堤防灌注樁的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 堤防加固方案

堤防部分堤段地質(zhì)基巖裸露，堤防基礎(chǔ)置于基巖良好處，但大部分堤段處于飽水狀態(tài)，結(jié)構(gòu)松軟，承載力低，變形量大，為可塑—軟塑狀粉質(zhì)黏土，覆蓋層厚度達(dá)7～11m左右，特別是下部軟塑狀粉質(zhì)黏土層厚度大，位置較深，力學(xué)指標(biāo)差，導(dǎo)致邊坡發(fā)生深層滑動，需對地基、邊坡進(jìn)行處理。根據(jù)地質(zhì)實際情況，初步擬定采用灌注樁對地基、邊坡進(jìn)行處理，以達(dá)到抗滑和提高地基承載力的效果。

參考以往工程的經(jīng)驗，設(shè)計采用的抗滑樁樁徑為0.8m，則樁身周長為2.512m，樁端截面面積(對于擴(kuò)底樁，取擴(kuò)底截面面積)為0.5024m2。通過受力分析計算，并結(jié)合抗滑樁單樁軸向受壓容許承載力，在河左岸堤防堤左1+770.00堤段C30鋼筋混凝土承臺下布置單排抗滑樁，樁中心軸間距2.5m(軸距大于3倍抗滑樁樁徑)，所有樁底部都嵌入基巖弱風(fēng)化層下5.0m，可滿足抗滑和提高地基承載力要求[4-6]。

3 灌注樁深度優(yōu)化設(shè)計

3.1 計算模型及參數(shù)選取

選取最危險斷面作為典型斷面進(jìn)行分析，該斷面軟塑狀粉質(zhì)黏土層最深最厚。計算采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS對其進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算[7-8]。計算模型及土體材料分區(qū)如圖1所示，模型長50m，高28m，坡比1∶2.5。土體材料從上到下為石碴料、可塑狀粉質(zhì)黏土、軟塑狀粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土和基巖。

圖1 堤防計算網(wǎng)格模型及土體分區(qū)

堤身土體力學(xué)參數(shù)：石碴料容重19kN/m3，C=10kPa，φ=24°；可塑狀粉質(zhì)黏土容重19.2kN/m3，C=10kPa，φ=15°；軟塑狀粉質(zhì)黏土容重19.0kN/m3，C=8kPa，φ=6°；砂質(zhì)粉土容重19.1kN/m3，C=3kPa，φ=14°。

計算工況選?。赫＿\用條件(設(shè)計洪水位)；非常運用條件(水位消落期)。

3.2 計算結(jié)果分析

采用PLAXIS自帶的有限元強(qiáng)度折減功能[9-10]對設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期和水位消落期堤防邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，下頁表為河道在設(shè)計洪水位下穩(wěn)定滲流期和水位消落期不同灌注樁深度下堤防邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

分析可知：當(dāng)灌注樁設(shè)計深度為8m時，灌注樁底部僅深入地基中砂質(zhì)粉土，在正常運行條件下(設(shè)計洪水位)堤防邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13，說明此工況下堤防可以維持自身穩(wěn)定，不會破壞，但安全系數(shù)略小于規(guī)范允許值1.15，不滿足設(shè)計要求。同時在非常運用條件(水位消落期)時，堤防邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅為0.86，小于1，說明在非常運用條件(水位消落期)下堤防不穩(wěn)定，將發(fā)生滑動。灌注樁若按照8m深度設(shè)計不滿足規(guī)范和邊坡穩(wěn)定要求。

表1 不同灌注樁深度下堤防穩(wěn)定安全系數(shù)

當(dāng)灌注樁設(shè)計深度為12m時，灌注樁底部深入基巖2m，此時在正常運行條件下，堤防邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31，說明此工況下堤防穩(wěn)定性良好，滿足規(guī)范允許值1.15的要求，同時在非常運用條件下，堤防邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.18，同樣滿足允許值1.05，說明灌注樁若按照12m深度設(shè)計，即樁底部深入基巖2m，可滿足規(guī)范和堤防邊坡穩(wěn)定要求，且有一定的安全儲備。而當(dāng)灌注樁設(shè)計深度為16m時，灌注樁底部深入基巖6m，此時在正常運行條件下和非常運用條件下堤防邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.33和1.21，同樣滿足要求，但安全系數(shù)比12m深時增加不明顯。

圖2為堤防邊坡在設(shè)計洪水位時的穩(wěn)定滲流期和水位消落期不同灌注樁深度下堤防邊坡達(dá)到極限破壞時的滑裂面分布。可見當(dāng)灌注樁設(shè)計深度為8m時，穩(wěn)定滲流期和水位消落期堤防的滑裂面均基本相同，均起于堤防頂部，底部沿砂質(zhì)粉土剪切滑出，剪切出口位于樁頂下部。當(dāng)灌注樁設(shè)計深度增加到12m和16m時，堤防在穩(wěn)定滲流期的主要滑裂面，從抗滑樁頂部平臺處剪切滑出，形成一個弧形滑裂面，而在水位消落期時滑裂面均從抗滑樁頂部偏下位置剪出。

圖2 不同灌注樁深度堤防邊坡破壞滑裂面(左為穩(wěn)定滲流期；右為水位消落期)

圖3為不同灌注樁深度堤防邊坡穩(wěn)定滲流期和水位消落期兩種工況下灌注樁的彎矩大小及分布情況，且樁體根據(jù)配筋計算，可以承受700kN·m左右的彎矩。當(dāng)灌注樁深度為8m時，穩(wěn)定滲流期和水位消落期工況下樁體的最大彎矩分別為6.16kN·m和58.9kN·m。當(dāng)灌注樁深度為12m時，穩(wěn)定滲流期和水位消落期工況下樁體的最大彎矩分別為71.7kN·m和568.2kN·m。而當(dāng)灌注樁深度增加到16m后，兩種工況下樁體的最大彎矩分別為63.2kN·m和315.9kN·m。

圖3 不同灌注樁深度樁體彎矩大小及分布(左：穩(wěn)定滲流期； 右：水位消落期)

樁體所受最大彎矩出現(xiàn)在樁深12m的水位消落期，大小為568.2kN·m，但小于配筋設(shè)計對應(yīng)的最大彎矩承受值700kN·m。說明灌注樁8m深時，樁的彎矩值很小，未發(fā)揮抗滑作用，灌注樁12m深時，彎矩圖顯示樁的最大彎矩出現(xiàn)在樁基下部，且樁基彎矩分布合理，當(dāng)灌注樁增至16m深時，通過分析圖3中(c)，最大彎矩出現(xiàn)在樁的中部，而樁基下部幾乎沒有彎矩分布，說明下部樁基沒有發(fā)揮抗滑作用，設(shè)計不合理。

此外，相對于設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期，在水位消落期工況下堤防邊坡灌注樁的彎矩均有大幅度增加，這是由于隨著水位降低，孔隙水壓力逐漸消散，同時造成堤防邊坡自身抗滑力降低，等效于下滑力增大，這與水位消落期堤防的穩(wěn)定性更差的結(jié)論相符。

綜合以上對不同灌注樁深度在堤防設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期和水位消落期邊坡的穩(wěn)定性、滑裂面和樁基彎矩計算，確定了灌注樁的最優(yōu)深度為12m，此時堤防邊坡的穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求，樁基深度較為經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié) 論

本文以有限元軟件PLAXIS為計算平臺，對瀨溪河堤防邊坡的灌注樁深度優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，擬選取樁體深度8m、12m和16m三種深度進(jìn)行分析，通過計算在設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期和水位消落期兩種工況下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)、滑裂面和樁基彎矩，得出了最優(yōu)的灌注樁深度為12m，此時堤防邊坡的穩(wěn)定性不但能滿足規(guī)范要求，而且樁基深度較為經(jīng)濟(jì)合理。計算成果可為該次堤防灌注樁的設(shè)計提供參考，也可為同類工程的設(shè)計提供借鑒。

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Studyondepthoptimizationdesignofcast-in-placepilereinforcedembankmentslopebasedonPLAXIS

LI Feng, LI Shasha

(HubeiZhangheRiverEngineeringAuthority,Jingmen448156,China)

In order to optimize the design depth of Laixi River levee engineering slope cast-in-place piles, it is proposed that finite element software PLAXIS can be adopted for calculating and analyzing slope stability, critical slip surface and pile bending moment of embankments under three different pile depth during stable seepage stage and water level decrease period. The optimal design depth of the engineering section grouting pile is 12m after calculation. It can meet the stability requirement on the one hand, and it is more economical and reasonable on the other hand. The calculation process can provide reference for the reinforcement design of similar embankment projects.

embankment; PLAXIS; stability; bending moment; safety factor

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.007

TV871

A

1005-4774(2017)012-0025-04