新擴建堤防填料對加高培厚堤防工程沉降的影響研究

楊永森 顧艷玲 孫天祎

(中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

近幾十年,我國強降雨頻頻發(fā)生,不僅給城市居住環(huán)境帶來很大的危害,同時也給水利工程的正常運行帶來了嚴(yán)峻的考驗和挑戰(zhàn)[1]。 我國有大量的堤防工程,尤其是土質(zhì)堤防,直到現(xiàn)在依然是被廣泛采用的防洪工程。 但我國現(xiàn)存的土質(zhì)堤防有很多是早期無標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的民堤和民垸,還有一些已經(jīng)無法滿足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)要求的堤防,它們都存在斷面不足、堤身質(zhì)量較差的問題。 相比重建,加高培厚顯得更加經(jīng)濟且較易實施[2]。 但加高培厚往往容易發(fā)生新老堤防結(jié)合部差異沉降問題,導(dǎo)致堤頂出現(xiàn)裂縫[3],因此需要嚴(yán)格控制加高培厚堤防工程的沉降,以保證堤防的整體穩(wěn)定性。

目前,關(guān)于控制堤防沉降的研究有很多,周英雄等[4]分析了不同置換深度、不同的坡腳外置換寬度對堤防變形及穩(wěn)定性的影響規(guī)律,其成果對軟基條件下堤防設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。 陳東海等[5]針對堤防填筑荷載下地表沉降進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究,得出在超軟土地基上修建堤防時,地基工后沉降量起主導(dǎo)作用。楊萬紅等[6]分析了汽車荷載對新沭河公興港閘以北段堤防的沉降影響。 孔綱強等[7]分析了填筑速率、填筑間歇時間等關(guān)鍵性施工控制指標(biāo)對軟基上堤防沉降的影響規(guī)律,為類似軟基上新建堤防施工質(zhì)量控制提供參考依據(jù)。 蔣建平[8]對隧道穿越堤防時的堤頂面沉降規(guī)律進(jìn)行了研究,指出當(dāng)隧道穿越堤防時,可采取增大堤身彈性模量等措施減小堤頂面沉降。 但很少有研究加高培厚堤防新填材料對堤頂沉降的影響,道路方面也有一些研究,宿金成[9]研究了新填路基材料參數(shù)對堤防穩(wěn)定性的影響,但也只分析了對安全系數(shù)的影響,并沒有研究對沉降的影響。 類似研究還有很多[10-15]。然而,這些研究大多沒有系統(tǒng)地考慮新填材料參數(shù)對沉降的影響,并且道路一般只是擴寬,堤防還涉及加高部分的影響,因此需要對新填堤防材料對加高培厚堤防工程沉降的影響進(jìn)行研究。

本研究利用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元分析,對不同新填堤防材料密度、內(nèi)摩擦角、黏聚力及彈性模量條件下的沉降進(jìn)行研究,旨在分析新填堤防材料對加高培厚堤防工程沉降的影響,以期對堤防加高培厚工程的差異沉降控制提出一定的指導(dǎo)建議。

1 模型假設(shè)及計算參數(shù)

1.1 模型假設(shè)

由于已建堤防(即老堤)長時間的固結(jié)沉降,其堤身及其下面的地基部分的沉降早已固結(jié)完成,故加高培厚堤防工程的沉降主要是由兩部分組成,一部分是新填堤防(即新堤)由于自身欠固結(jié)導(dǎo)致的沉降,另一部分是新填堤防下的地基由于新填堤防的重力壓載作用產(chǎn)生的沉降。 堤頂?shù)某两凳嵌咧?堤頂?shù)某两抵苯雨P(guān)系著整個堤防的穩(wěn)定性,本研究主要分析新堤材料對加高培厚堤防工程沉降的影響,加高培厚堤防工程的工后固結(jié)沉降采用有限元法模擬計算,模型假設(shè)如下:

a. 將堤防固結(jié)問題假設(shè)為平面應(yīng)變問題,進(jìn)行二維有限元分析。

b. 假定土體(新堤、老堤、地基)為理想的彈塑性材料,采用有限元中的Drucker-Prager 模型模擬土體材料[16]。

c. 地基底面約束水平方向和豎直方向,兩側(cè)只進(jìn)行水平方向約束。

d. 地基采用一種材料參數(shù)進(jìn)行模擬。

1.2 計算參數(shù)

本研究依托松花江干流堤防治理工程,取其第九標(biāo)段新發(fā)新農(nóng)堤防進(jìn)行研究,該堤防全長16.57km,防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇,堤防級別為2 級。

在典型老斷面的基礎(chǔ)上,進(jìn)行加高培厚,加高1.5m,背水坡一側(cè)進(jìn)行培厚,堤頂加高后寬度6m,培厚完堤防的坡度1 ∶1(見圖1),堤防填料參數(shù)見表1。

圖1 松干堤防斷面(單位:m)

表1 計算參數(shù)

2 新填堤防填料密度的影響

對于堤防工程,大部分荷載來源于自重,堤防填土的密度直接影響堤防的自重荷載,因此對堤防的穩(wěn)定性有直接的影響。 對于堤防加高培厚工程,在保持地基和老堤材料參數(shù)不變的情況下,只改變新堤填料密度,并用有限元法對不同密度條件下的加高培厚堤防進(jìn)行分析,密度分別為50kg/m3、100kg/m3、500kg/m3、1000kg/m3、 1500kg/m3、 2000kg/m3、 2500kg/m3、3000kg/m3,得出加高培厚堤防的沉降量,如圖2 所示。

圖2 不同密度的新堤填料的堤頂沉降曲線(單位:kg/m3)

結(jié)果表明,隨著密度減小,堤頂?shù)某两抵挡粩鄿p小,最大沉降值也不斷減小,新老堤防之間的差異沉降將會變小,剛開始,密度平均每減小500kg/m3,沉降減小約0.02m,減小至100kg/m3以后,變化就不是那么顯著了。 在實際工程中,采用密度較小的新堤填料,可以減小堤頂沉降,增加堤防擴建工程的穩(wěn)定性,對于處治新老堤防結(jié)合部不良情況是有好處的。 建議在實際工程建設(shè)中,在滿足工程建設(shè)的條件下,采用密度較小的材料作為新堤的填料,但密度不宜太小,因為密度越小,造價越高,且施工難度較大,整體工程經(jīng)濟效益并不是很好,建議密度在1000 ~1500kg/m3之間選取。

3 新填堤防填料c、φ 值的影響

保持新堤其他材料參數(shù)不變,分別變化黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ 值,分析新填堤防填料c、φ 值的變化對加高培厚堤防工程穩(wěn)定性的影響。 采用有限元法計算不同c、φ 值的加高培厚堤防的沉降量,c 值為1kPa、3kPa、10kPa、20kPa、50kPa、70kPa,φ 值為1°、10°、20°、30°、40°、50°。 同樣采用有限元法計算出加高培厚堤防的堤頂沉降量,如圖3 ~圖4 所示。

圖3 不同黏聚力的新堤填料的堤頂沉降值(單位:kPa)

圖4 不同內(nèi)摩擦角的新堤填料的堤頂沉降值

結(jié)果表明:隨著黏聚力的增大,堤頂沉降逐漸減小,每增加10kPa,平均沉降減小0.01m,c <50kPa 時,沉降變化較大,但黏聚力超過50kPa 以后變化幅度很小,說明新建堤防的抗剪強度對加高培厚堤防的穩(wěn)定沒有完全發(fā)揮作用;當(dāng)黏聚力c <10kPa 時,新堤填料是不能直接用于加高培厚的,應(yīng)加以工程措施,如用土工模袋將土料裝起來,并整體連接起來,有助于提高堤防的整體穩(wěn)定性。 隨著內(nèi)摩擦角的增大,堤頂沉降逐漸減小,φ <20°時,新堤頂?shù)某两抵底兓^大,每增加10°,沉降減小0.04m。 當(dāng)內(nèi)摩擦角超過20°以后,對新堤頂沉降的影響不明顯,說明新建堤防的抗剪強度對加高培厚堤防的穩(wěn)定沒有完全發(fā)揮作用;當(dāng)內(nèi)摩擦角為1°時,計算不收斂,發(fā)生大變形,堤防破壞,因此導(dǎo)致內(nèi)摩擦角為1°時,對堤頂?shù)某两登€無法作出比較;同樣,此時的新堤填料是不能直接用于加高培厚的,必須采用相應(yīng)的工程措施,且圖3 和圖4 的兩個曲線變化趨勢,可以表明內(nèi)摩擦角對堤防沉降的影響大于黏聚力。

4 新填堤防填料彈性模量的影響

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度,土體的彈性模量是由壓縮模量換算過來的,其在土體固結(jié)沉降中起著重要的作用。 同樣保持新堤其他材料參數(shù)不變,分別變化彈性模量的值,分別為5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa,分析新填堤防填料彈性模量值的變化對加高培厚堤防工程穩(wěn)定性的影響。 采用有限元法計算不同彈性模量值的加高培厚堤防的沉降量,如圖5 所示。

圖5 不同彈性模量的新堤填料的堤頂沉降值(單位:MPa)

隨著彈性模量的增大,堤頂沉降減小,并且相比其他材料參數(shù),彈性模量對堤頂沉降的影響還是比較顯著的,增大到一定程度后,堤頂沉降曲線趨向于一字形,表明此時堤頂?shù)男吕系谭啦町惓两递^小,因此,在工程建設(shè)中減小堤頂差異沉降這一方面,改變彈性模量比較有效。

5 結(jié) 論

a. 新堤填料參數(shù)中,從堤頂沉降曲線變化趨勢來看,彈性模量和密度的變化對沉降影響最大,內(nèi)摩擦角的影響次之,黏聚力的影響小于內(nèi)摩擦角。

b. 建議在實際工程建設(shè)中,在滿足工程建設(shè)的條件下,采用密度較小的材料作為新堤的填料,但密度不易太小,因為密度越小的填料,造價越高,且施工難度較大,整體工程經(jīng)濟效益并不是很好,建議密度在1000 ~1500kg/m3之間選取。 若采用密度1000kg/m3以內(nèi)的填料,應(yīng)加以開挖臺階、加筋等工程措施并進(jìn)行具體的穩(wěn)定性分析。

c. 若在實際工程建設(shè)中,尤其是堤防的加高培厚工程,黏土填料不易獲得,只能采用砂土或者抗剪強度較差的黏土?xí)r,應(yīng)附加其他工程措施,以保證堤防的穩(wěn)定性,建議將新堤填料用土工袋裝起來,并將所有裝滿新堤填料的土工袋連接成一個整體后,與老堤土連接固定,不僅能增強土體抗剪強度,還能夠抵御新老堤防的差異沉降。

d. 彈性模量對于減小新老堤防差異沉降有著顯著的作用,加高培厚工程應(yīng)用中,可采用彈性模量較大的材料作為新堤的填料,以減小堤頂?shù)某两?減小堤頂裂縫。

綜上所述,對于同類加高培厚堤防工程的設(shè)計,應(yīng)綜合考慮填料密度、內(nèi)摩擦角、黏聚力以及彈性模量的影響,輔予以相應(yīng)的工程措施,以保證堤防的穩(wěn)定性。