軟土地基上堤防拓寬工程變形協調措施研究

占鑫杰，騰 昊, 李文煒，徐 超

(1. 南京水利科學研究院 巖土工程研究所， 江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國家重點試驗室， 江蘇 南京 210029；3.中國水利水電第一工程局有限公司基礎工程分局， 遼寧 大連 116041; 4.河海大學 土木和交通學院， 江蘇 南京 210098；5.中鐵十一局集團第一工程有限公司， 湖北 武漢 430000)

目前南京市長江干堤防洪能力提升工程已經全部完成，長江南京段堤防只有部分主江堤多年未曾治理，在2015年、2016年長江高水位期發生險情，嚴重威脅居民的生命財產安全。為適應社會經濟發展的需要，保障人民生命財產安全，進行堤防消險加固建設已迫在眉睫。堤防除險加固的工程內容包括：堤身加固，加寬培厚堤身，擬進行消險加固的堤段總長23.1 km，拓寬堤防基本維持原堤線走向，局部進行裁彎取直和圓潤。

軟土地基上堤防加寬培厚工程中新老堤結合面是工程的薄弱面。由于老堤防結合部存在填筑施工時間的差異，導致地基固結度和堤防壓縮程度不同而產生不均勻沉降，使結合部出現裂縫、破損并引起滲漏等現象，影響堤防穩定安全并造成堤防路面水平的降低。而軟土地基上新老堤防的拼接還可能引起堤防的失穩和滑坡。所以堤防拓寬工程中新老堤的變形協調至關重要。國內外雖然有一些工程實踐[1-2]，但大多倚重于工程經驗，且多借鑒高速公路路堤拓寬的工程措施，對公路拓寬寬度、加固材料、地基處理方式等相關因素進行了定性分析，而對堤防拓寬后變形協調措施的研究報道較少[3-8]。對新老堤防變形協調措施需要進行深入研究，進而提出系統的設計方案和施工工藝。

本文以南京市某堤防拓寬工程為例，采用FLAC軟件建立堤防拓寬的數值計算模型，分析了拓寬新堤與老堤的相互作用特性。為保證新、老堤防拼接后的變形協調，提出在新、老堤防的結合部開挖臺階，并在臺階處鋪設土工格柵增強橫向連接力的措施，采用數值軟件對以上工程措施進行了分析驗證。

1 工程背景

南京市某長江堤防拓寬斷面如圖1所示。老堤防頂面寬度為8 m，迎水面坡比為1∶3，背水面坡度比為1∶2.5。在老堤防的背水面進行拓寬，新堤防的頂面寬度為5 m，坡比為1∶2。堤防頂部高程為11.8 m，坡腳高程為8.1 m，堤身總高度(含路基結構層0.5 m)為3.7 m，堤防路面車輛荷載按照15 kPa考慮。

地基土層分布如圖1所示，其中淤泥質粉質黏土層的厚度為3.5 m，粉質黏土層的厚度為5.5 m，砂土層的厚度為11.5 m。

圖1 堤防拓寬斷面示意圖

2 計算模型

2.1 數值模型

為研究拓寬新堤和老堤的相互作用及變形協調措施的有效性，擬分別建立新堤拓寬計算模型(如圖2所示)和新老堤變形協調措施計算模型(如圖3所示)。

圖3 新老堤變形協調措施計算模型示意圖

由于路堤足夠長，采用平面應變模型[9-10]來研究堤身和地基的應力和變形規律。堤身和地基均采用FLAC程序中的四邊形網格，其中堤防以下地基中網格劃分較密，總體上是中間較密兩邊稀疏(如圖4所示)。在新老堤變形協調措施數值計算模型中，老堤防沿坡面自下往上開挖4層臺階形成階梯狀結合面(見圖3陰影部分)，1-4層臺階的高度為0.8 m，寬度為2.0 m。在每層臺階處(共4層)鋪設土工格柵來增加新、老堤橫向嵌固力；老堤中土工格柵的嵌固長度為2.0 m。數值模擬中重點分析新老堤結合部的應力變形特性，不同位置土工格柵的受力變形特性。

2.2 數值計算流程

FLAC軟件的計算流程包括以下步驟：(1) 初始數據輸入；(2) 計算網格劃分；(3) 材料賦值；(4) 施加初始應力場及邊界條件；(5) 將堤身土層設置為Null，進行地基土層的初始應力場平衡；(6) 將初始應力場計算的速度和位移清零，進行老堤堆載；(7) 激活新堤單元來模擬新堤堆載；(8) 施加路面荷載和車載荷載；(9) 計算結果輸出。

2.3 土體分層及材料賦值

堤身和地基均采用Mohr-Coulomb模型[11-12]，其物理力學參數如表1所示。

圖4 FLAC軟件中網格劃分示意圖

表1 堤防拓寬斷面土層及堤身物理力學參數

變形協調措施中土工格柵采用FLAC繩索單元[13-14]來模擬，土工格柵與堤防填土接觸面關系為：

ca=ac

(1)

tanδ=atanφ

(2)

式中：ca為土工格柵與新堤防填土的界面黏聚力，kPa；δ為土工格柵與新堤防填土的界面摩擦角，(°)；c為新堤防填土的黏聚力，kPa；φ為新堤防填土的摩擦角,(°)；α為作用系數，其值視土工格柵與填土的相互作用程度而定，可取0.8。根據設計文件，土工格柵材料的厚度為4 mm，彈性模量為112.5 MPa，極限抗拉強度為45 kN/m，拉伸率為10%，粘結剛度為20 MN/m/m。匯總得到土工格柵及其接觸面的參數如表2所示。

表2 土工格柵材料及接觸面參數

2.4 初始應力場及邊界條件

模型地基土層中初始應力場根據土體有效重度計算。模型底部采用位移邊界條件，即水平和垂直方向的位移均約束；模型的側面僅約束水平方向位移。

3 計算結果及分析

3.1 堤防拓寬模擬結果及分析

根據數值模擬結果中的位移場、堤頂路面變形、地基變形，對堤防拓寬后新堤和老堤的相互作用進行了分析。新堤拓寬后的豎向位移場、水平位移場如圖5所示。從圖5中可知，拓寬新路堤和老堤防有明顯的差異變形。

圖5 新堤拓寬后的位移場

拓寬后堤防路面的沉降曲線如圖6所示。從圖6可知，老堤防(寬度8 m)路面的最小、最大沉降分別為10.5 cm、24.2 cm，不均勻沉降為13.7 cm，路面的坡度為1.7%，整體向堤中心線傾斜。新路堤(寬度5 m)路面的最小、最大沉降分別為22.6 cm、24.3 cm，不均勻沉降為1.7 cm，路面坡度為0.6%，整體向堤中心傾斜。新堤防填筑后，由于附加應力作用使得老堤防路面產生了附加沉降，會引起行車不適。

堤防拓寬后，新老堤防表面的水平位移曲線如圖7所示。由于附加應力作用，新老路堤表面均向老堤一側發生水平移動，最大水平位移為1.7 cm。

圖6 堤防拓寬后路面的沉降曲線

圖7 堤防拓寬后路面的水平位移曲線

堤防拓寬后，地基的沉降曲線如圖8所示。從圖8可知，新堤地基的最大沉降為18.3 cm，發生在新老堤防的界面處。新堤拓寬后，由于附加應力作用使老堤防地基產生了附加沉降，最大附加沉降約為21.9 cm。

圖8 堤防拓寬后地基的表面沉降曲線

堤防拓寬后，新老堤交界處地基的深層水平位移曲線如圖9所示。從圖9可知，地基的最大深層水平位移約為6.3 cm，深度約為2.7 m處，在淤泥質粉質黏土層中。

圖9 新堤拓寬后地基的深層水平位移曲線

3.2 新堤老堤變形協調措施模擬結果及分析

在3.1節基礎上，考慮階梯狀結合面和鋪設土工格柵材料，對新老堤變形協調措施進行了模擬分析。模擬結果中包括地基和路面變形、差異變形及土工格柵拉力分布等。

新堤拓寬后的豎向位移場和水平位移場如圖10所示。從圖10可知，由于土工格柵的加筋作用，堤防的最大沉降位置由堤頂路面處發展到堤身內部。

圖10 新堤拓寬后的位移場

堤防拓寬后路面的沉降曲線如圖11所示。從圖11中可知，老堤防(寬度8膜m)的最小、最大沉降分別為10.6 cm、24.7 cm，不均勻沉降為14.1 cm，路面的坡度為1.8%，整體向堤中心線傾斜。新路堤的最小、最大沉降分別為14.5 cm、24.7 cm，不均勻沉降為10.2 cm，路面坡度為2.0%，整體向堤中心線傾斜。對比圖13和圖7可知，鋪設土工格柵后，新堤一側路面的沉降大幅減小，老堤一側的路面沉降基本不變。

圖11 堤防拓寬后路面的沉降曲線

堤防拓寬后，地基的表面沉降曲線如圖12所示。從圖12可知，新路基的最大沉降為17.9 cm，發生在新老路基的界面處。新堤拓寬后，使得老堤防地基產生了附加沉降，最大附加沉降約為21.9 cm，發生在距離新、老路基結合部5 m位置。對比圖8和圖12可知，在堤身鋪設土工格柵加筋后，地基表面沉降曲線基本不變，其主要原因是土工格柵僅僅是增強堤身的整體性，對地基的影響較小。

圖12 堤防拓寬后地基的表面沉降曲線

(2) 土工合成材料拉力分布

拓寬堤防中不同位置土工格柵(見圖4)的拉力分布如圖13所示。底層(1層)土工格柵的最大拉力為4.9 kN/m，2層、3層、4層土工格柵的最大拉力分別為3.5 kN/m、3.0 kN/m、1.8 kN/m，其中底層土工格柵發揮的作用最大。根據模擬結果可知，土工格柵的拉力均沒有超過格柵材料的抗拉強度(45 kN/m)。

圖13 土工格柵拉力分布

4 結 論

(1) 新堤填筑后，由于附加應力作用使得老堤防的堤身和路面產生附加沉降，老堤路面的平均坡度分別為1.7%～3.7%，會引起行車不適。

(2) 在堤身分層開挖臺階并鋪設土工格柵加筋后，拓寬堤身的最大沉降由新堤一側的路面發展到堤身內部；新堤的路面沉降和堤身不均勻沉降減小。

(3) 堤身底層土工格柵的拉力較大，其值為5 kN/m左右；表層土工格柵的拉力最小，其值為1 kN/m～2 kN/m，均未超過土工格柵的抗拉強度。在水平方向，土工格柵的最大拉力位置在新老堤結合處。