復雜堤防加固設計的有限元數值分析

王政平,何寶根,李曉旭

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

廣西梧州某堤防是梧州市的重要城防工程，規劃擋洪標準為50年一遇。一期工程設計擋洪標準為10年一遇，在2005年超標洪水作用下漫頂(圖1)，發生大變位，造成堤后設施起拱、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行了充填灌漿，實施一期補強(圖3)，現實施二期達標工程，將堤防擋洪標提到50年一遇。

該堤防堤身為混凝土擋墻，基礎采用直徑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，樁、承臺和堤身分別與地基土發生作用，各作用的大小分配比例與變位有關，且十分復雜；雜填土地基有較大的壓縮性，同時受結構擠壓和滲透壓力作用，自身變形復雜；地基局部充填灌漿補強加劇了堤基的復雜程度；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雜的空間非線性過程，常用的M法、K法等均無法全面表達樁、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理[1]。

堤防擋水能力和變位的準確分析是堤防安全設計、加固補強的重要前提和必要保證。基于工程實際，建立“堤防-樁-地基”的三維數學模型，再根據反演參數，計算了未加固堤防擋洪的變位復核現狀堤防的擋洪能力，研究加固的必要性。若有必要，提出合適的加固方案。

1 計算分析與原理

堤防擋水前，堤基已穩定，堤身具有初始地應力。擋水時堤身作用有靜水壓力、揚壓力；堤基產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。采用地下連續墻加固堤防時，連續墻、土體、樁基和堤身形成復雜的空間彈性體系；連續墻和樁基的剛度差異大，其抗力分配非常復雜。因此，地基、堤防、樁基及加固體系的變位分析和內力傳遞非常復雜。

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]。根據滲流方程對地基進行滲流分析[4]，確定底板揚壓力、防滲墻前后的水壓力和地基的孔隙水壓力；再進行應力初始化，其中孔隙水壓力和超孔隙水壓力與結構耦合。堤防擋洪壓力按靜水壓力計算，土層、樁和堤身界面的接觸采用了面-面接觸。運用材料本構[5-7]、有限元理論[8-9]、計算方法[10]和計算機圖形處理技術[11]，研究軟土樁基堤防的變位特性。變位計算包括地應初始化、開挖、混凝土結構灌注、回填夯實、灌漿和擋水(流固耦合)等步驟。

2 有限元計算模型

堤防樁基采用3排樁，排距為3 m，沿堤軸線間距為3.2 m，均勻對稱布置，取1.5個結構段即4.8 m長進行研究。根據堤防設計方案和地質資料，等比例建立空間有限元模型(圖4)。網格劃分反映結構幾何特征(16萬個單元，18萬個節點)，模型均采用實體單元(全積分S/R體單元)。

3 材料本構及主要物理特性

工程涉及的建材主要是鋼筋混凝土及地基各地質層。鋼筋混凝土本構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為:τn=C+σntanφ，τn為剪切面上的剪應力；σn為剪切面上的正應力；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

表2 各土層參數建議值

4 計算參數和模型的率定

堤身結構與地基的作用十分復雜，且地基雜填土深厚，在2005年超標洪水下發生大變位，2009年對堤基進行了加固補強，因此，計算參數和模型難以直接確定，有必要根據觀測值數據對參數和模型進行率定。雜填土位于最上層，且覆蓋深厚，經大量試算，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，因此對其進行反演。

一期充填灌漿后的堤防斷面(圖3)在堤內水位均取20.0 m，外江水位分別為21.85、22.5 m時，堤頂變位觀測值分別為1.10、1.52 cm。經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°，其他參數見表2。經率定的計算模型和參數具有較高的可信度，將在后續補強、加固計算中采用。

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，承臺和堤身發生水平位移的同時，堤身懸肩結構也發生了微小的逆時鐘偏轉；堤身、承臺和樁向堤后發生位移，同時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，這是因為地基土受結構向堤內擠壓的同時還受到向上的滲透壓力(超孔隙水壓力)作用。

5 未加固時堤防達標復核

達標加固前，須對現狀堤防的擋洪能力進行復核，研究其擋達標洪水的可能性和加固的必要性。

外江為50年一遇達標洪水時，外、內江水位分別為27.1、20.5 m；根據反演，雜填土和充填灌漿土體C值分別為4.9、22 kPa，其他參數同表2。對堤防擋水情況進行仿真計算。

由于土體灌漿后滲透系數減小，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，承臺在水平向內的同時，發生了微小的逆時針轉動，最大位移在堤頂，承臺和堤頂的水平位移分別為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構的變形，另一部分為堤基在結構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力和彎矩；左、中、右排樁樁頂應力依次減小，見圖9；經積分計算，樁頂內力列于表3。

表3 地下連續墻加固前后結構內力對比

表3表明，樁基軸力均為壓，數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律；按《建筑樁基技術規范》[12]，承臺下左、中、右排樁樁頂的剪力和彎矩應相同，但這里各排樁的剪力和彎矩相差較大，且依次減少。經研究，造成樁基剪力和彎矩差異的原因是樁周土體應變上的差異。

擋洪時，地基應變主要發生在內排樁的內側，因此該區土體是產生水平抗力的主要部分；樁間土隨樁位移發生了水平平動，故應變并不明顯，見圖10。內排樁的內側地基土的軟弱是樁基水平變位的重要原因。

未加固時，堤防位移太大，表明前期(一期)充填灌漿對堤防達標變位的控制效果十分有限，要進一步控制堤防變位，必須采取其他加固措施。

6 達標加固方案與分析

堤后為公路，附近有密集民居，作業空間有限。根據工程地質條件及防洪墻的結構特點，經比選，提出在堤內增設C25地下連續墻，通過C25水平聯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)。連續墻厚1.2 m，深12 m；連續梁寬0.6 m，高2.5 m，水平間距3.2 m。連續梁與堤防承臺和連續墻通過鋼筋錨固。

經計算，承臺、地下連續墻、堤防及之間的地基土均向后邊變位，堤防順時鐘微小偏轉；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，同時向上變位。堤防水平變位見圖11、12。

地下連續墻受到聯系梁偏心水平推力和垂直紙面向外的彎矩，連續墻的內側受拉，外側受壓，中部向堤內凸；在水平聯系梁的下界處彎矩最大。

聯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。

連續墻、水平聯系梁出現較大的應力集中，而樁頂應力較小；通過對單元進行應力積分，計算結構特征斷面的內力于表4。表4表明，樁頂的剪力已經很小了，水平聯系梁的軸力較大，表明地下連續墻的水平剛度遠大于樁基，連續墻分載了絕大部分水平荷載。

根據表4，對樁原設計的配筋進行復核，原配筋滿足規范要求；對水平聯系梁和地下連續墻分別進行經配筋計算，在規范允許范圍內，均可以常規配筋，這表明達標加固方案滿足結構強度設計要求。

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

結構部件位置軸力/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，剪力繞隔離體順時針為正，彎矩垂直紙面向內為正；反之相反。外江側樁為右排樁，內江側樁為左排樁。下同

表5 地下連續墻加固前后結構內力對比

7 結論與建議

建立“堤防-樁-地基”的三維流固耦合數學模型，通過堤防變位觀測值反演計算模型和參數，獲得較準確的計算模型和參數。

根據反演成果，計算堤防未加固擋洪情況位移太大，表明對現狀堤防加固是必要的；地基應變主要發生在內排樁的內側，內排樁的內側地基土的軟弱是樁基水平變位的重要原因；樁周土體應變上的差異造成樁基剪力和變矩差異。

提出在堤后增設地下連續墻，通過水平連續梁與原樁基共同受力的方案進行加固，計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，但結構強度仍滿足規范要求。

研究表明：經觀測率定的數值分析方法和成果為復雜地基堤防加固的研究和設計提供了有效、可靠的參考和依據。