水利工程不良地基混凝土樁加固分析

楊 勇

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300191)

不良地基，系指由于地基的天然工程地質(zhì)缺陷，不能滿足上部建筑物穩(wěn)定要求的地基，對(duì)于水利水電工程建筑物來(lái)說(shuō)，不良地基對(duì)建筑物的影響主要表現(xiàn)在地基中的軟弱巖石、 淤泥質(zhì)軟土等承載力低，受力后沉降值過(guò)大[1]。水利工程中不良地基的存在會(huì)導(dǎo)致水工建筑物產(chǎn)生過(guò)大或不均勻沉降，從而使建筑物產(chǎn)生拉應(yīng)力，發(fā)生破壞變形，嚴(yán)重威脅水利設(shè)施的安全運(yùn)行[2]。因此分析水利工程不良地基的加固，是水利工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外通常水利工程不良地基的處理研究頗多。羅兵[4]以某水利工程項(xiàng)目施工為例, 科學(xué)分析了工程項(xiàng)目中不良地基處理施工的重難點(diǎn)問(wèn)題, 具體探究了不良地基的處理技術(shù), 提高水利工程不良地基的穩(wěn)固性與可靠性；焦政運(yùn)[5]等針對(duì)水利工程施工中不良地基的處理技術(shù)進(jìn)行了分析, 此外還對(duì)水利工程施工中不良地基產(chǎn)生的危害和水利工程施工中不良地基的具體處理技術(shù)進(jìn)行了探討。 羅曉群[6]根據(jù)不良地基的基本特點(diǎn)，圍繞水利水電軟弱夾層施工處理技術(shù)展開(kāi)了探討。

然而，以上試驗(yàn)雖然對(duì)不良地質(zhì)施工技術(shù)層面有很大提高，然而很難對(duì)工程災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)。因此國(guó)內(nèi)外通常同時(shí)采用數(shù)值模擬方法來(lái)對(duì)不良地基進(jìn)行分析。 程志[7]等基于Biot固結(jié)理論的有限元方法, 對(duì)不同間距條件下的石灰樁復(fù)合地基沉降規(guī)律進(jìn)行了探討。驗(yàn)證了擴(kuò)徑石灰樁工藝可行性；林珈伊[8]對(duì)洋山深水港區(qū)擠密砂樁加固軟土地基試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析,得出復(fù)合地基沉降特性、承載能力、荷載沿深度的傳遞和變化規(guī)律以及砂樁及樁間土對(duì)荷載的分擔(dān)作用；楊松[9]以某濕陷性黃土地區(qū)高速公路路基為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)分析了灰土擠密樁加固濕陷性路基的加固效果,并對(duì)樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距的變化對(duì)路基沉降的影響進(jìn)行了分析；朱廣安等[10]對(duì)以橫沙八期水閘連接處為典型算例,通過(guò)建立彈塑性有限元模型,系統(tǒng)分析塑料排水板法、PHC樁法、堆載預(yù)壓法,三軸攪拌樁未穿透軟土層法及三軸攪拌樁穿透軟土層法等不同地基處理方式下,閘堤連接段土層產(chǎn)生差異沉降的效果及差異。

本文以四川某水電站水閘下軟土地基為例，基于M-C理論，采用ABAQUS建立了3維地基模型，分析了混凝土樁加固軟土地基前后，閘址的變形與沉降。研究結(jié)果可為相關(guān)工程分析提供參考。

1 M-C理論

M-C理論又稱(chēng)庫(kù)侖強(qiáng)度理論, 材料的破壞是剪切破壞，當(dāng)任意平面上的剪應(yīng)力等于材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)該點(diǎn)就發(fā)生破壞。破壞面上的剪應(yīng)力(剪切強(qiáng)度)取決于剪切面上的正應(yīng)力和土的性質(zhì)。而在工程上，通常采用摩爾庫(kù)倫屈服模型來(lái)描述土的變形。M-C模型主要適用于在單調(diào)荷載下的顆粒狀材料，其屈服面函數(shù)可以由下式表達(dá)：

F=Rmeq-ptanφ-c=0

(1)

式中：φ為q-p平面上M-C屈服面的傾角，其物理意義代表土體摩擦角，c為材料的粘聚力；參數(shù)Rme可由下式表示：

(2)

式中：Θ為極偏角，r為第三偏應(yīng)力不變量J3。然而，由于M-C模型屈服面存在尖角，相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法無(wú)法正確描述塑性流動(dòng)方向，給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)極大的不便，因此ABAQUS中采用連續(xù)光滑的橢圓函數(shù)作為塑性勢(shì)面：

(3)

式中：ψ是剪脹角；c|0是初始粘聚力；ε為子午面上的偏心率，控制了G在子午面形狀與函數(shù)漸近線之間的漸近線，此時(shí)Rmw計(jì)算由下式表出：

Rmw=

(4)

式中：e為π平面上的偏心率，范圍在0.5～1的范圍中。

2 模型建立與計(jì)算參數(shù)

本次研究的水閘位于四川某水電站，為平底開(kāi)敞式水閘，最大過(guò)閘流量為18 500 m3/s, 閘孔凈寬為15 m, 中墩寬為2.4 m, 縫墩寬為3.4 m, 邊墩寬為2 m, 水閘混凝土地板厚2 m。閘室內(nèi)設(shè)有工作門(mén)槽一道, 檢修門(mén)槽兩道；整個(gè)地基取深度取60 m，蓄水深10 m。本次建立模型時(shí)，為方便建模，將上部水工建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為均布荷載，水壓力則簡(jiǎn)化為平面荷載施加在底板表面。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初勘查明，鉆探深度范圍內(nèi)的土層可分為6 個(gè)工程地質(zhì)層：(1)灰黏土：(可塑或可塑～硬塑狀)，層厚 12.7 m；(2)淤泥質(zhì)土：灰黑色，軟塑～可塑狀，層厚6.5 m；(3)亞黏土層：灰褐色、灰黃色，可塑狀，層厚9.6 m；(4)黏土層：灰黃色、黃色。以硬塑狀為主，局部可～硬 塑狀，夾礓結(jié)石(較富集)，層厚3.8 m；(5)粉土層：灰黃色，稍濕～濕。中密狀。夾礓結(jié)石局部夾粉質(zhì)粘土，層厚9.1 m；(6)緊砂層：勘察深度范圍內(nèi)未揭穿該層。圖1為本次概化模型，表1為本次計(jì)算力學(xué)參數(shù)。

圖1 地基概化3維模型

表1 模型計(jì)算力學(xué)參數(shù)

3 地基加固與未加固變形分析

圖2為地基受壓后應(yīng)力云圖。如圖所示，相比于地基土的應(yīng)力，底板受力明顯的大于地基土，其中閘室附近的應(yīng)力最為集中，進(jìn)而導(dǎo)致地基土應(yīng)力的重分布，但由于地基為分層復(fù)合地基，各土層剛度不一致，產(chǎn)生應(yīng)力集中或應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，從而產(chǎn)生不均勻沉降，再次影響水閘的應(yīng)力與沉降。

圖3為未加固前模型應(yīng)變?cè)茍D。如圖所示，地基土應(yīng)變最大的部分位于閘室正下方，主要分布在前三層土樣，即灰質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)土與亞黏土層。但在黏土層附近，應(yīng)變出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，即黏土層上部的應(yīng)變明顯大于下部土層。這是由于淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)較差，壓縮性大，強(qiáng)度底，受力后沉降大，因此引發(fā)上部土體豎向位移增大，應(yīng)變更大。值得一提的是，工程建設(shè)中，如不對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行處理，極易造成建筑物墻體開(kāi)裂、建筑物傾覆。在工程建筑中，必須引起足夠的重視。

圖2 模型米塞斯應(yīng)力云圖

圖3 模型應(yīng)變?cè)茍D

為控制地基的變形破壞，本文采用混凝土樁對(duì)軟土地基進(jìn)行加固。其中樁長(zhǎng)20 m，樁徑0.5 m，樁距20 m，彈性模量34 GPa，重度24 kN/m3，樁側(cè)的切向摩擦系數(shù)為0.5，法向采用硬接觸，共采用5根混凝土樁，按模型尺寸對(duì)稱(chēng)分布。圖4為本次建立的模型加固示意圖。其他計(jì)算參數(shù)與之前分析保持一致。

圖4 地基加固示意圖

圖5 加固后模型應(yīng)變?cè)茍D

圖5為加固后模型應(yīng)變?cè)茍D。由圖可知，加固后的地基應(yīng)變達(dá)到了10～17數(shù)量級(jí)，說(shuō)明當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不好，地基承載力較小時(shí)，將樁打入地下，上面建筑物的重量通過(guò)樁基傳導(dǎo)下層承載力高的土層上，利用樁基和周?chē)寥赖哪Σ亮?lái)支撐上部建筑物的重量，能有效達(dá)到減少地基沉降的目的。圖6為本次模型加固前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降。如圖所示，地基在為加固前，最大沉降為7.7 mm，加固后沉降十分微小，達(dá)到了10～4量級(jí)，說(shuō)明加固后地基沉降能夠滿足工程精度，提高了地基承載力。

圖6 加固前后模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文以四川某水電站軟土地基為例，基于M-C理論，采用ABAQUS建立了3維地基模型，分析了混凝土樁加固軟土地基前后，閘址的變形與沉降。主要得到以下結(jié)果：

(1)地基受壓后其中閘室附近的應(yīng)力最為集中，進(jìn)而導(dǎo)致地基土應(yīng)力的重分布。此外，地基土應(yīng)變最大的部分位于閘室正下方，主要分布在前三層土樣，即灰質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)土與亞黏土層。但在黏土層附近，應(yīng)變出現(xiàn)了分層現(xiàn)象

(2)采用混凝土樁加固后的地基應(yīng)變達(dá)到了10～17數(shù)量級(jí)，加固前，最大沉降為7.7 mm，加固后沉降十分微小，達(dá)到了10～4量級(jí)，說(shuō)明加固后地基沉降能夠滿足工程精度，提高了地基承載力。