高填方土體抗剪強度參數對壩下涵管結構受力變形影響分析

吳達烽

(博羅縣水務科學研究所，廣東 博羅 516100)

廣東屬于沿海地區，河流眾多，需要修建許多穿堤、穿壩建筑物以滿足當地的防洪、排澇和灌溉需要，而這些穿堤、穿壩建筑很多都修建在軟土地區，很容易發生不均勻沉陷、結構裂縫和滑移破壞，導致建筑物發生破壞[1- 3]。涵管是最常見的壩下建筑物之一，由于建設年代久遠等原因，許多壩下建筑物都面臨著加固改造，在實際施工過程中，由于施工速度過快或者降雨等原因，導致回填土抗剪強度不足，陸續出現多起壩下涵管傾倒、不均勻沉降、滑坡等質量問題，影響了整個堤壩的安全性，特別是高回填土方壩下涵管結構的受力變形更加復雜，一旦發生工程事故，將帶來極大的人員財產損失[4- 6]。因此，有必要對高填方壩下涵管結構的受力變形規律進行詳細分析，以期能為工程設計、施工提供借鑒。

1 工程概況

某水閘堤壩始建于20世紀70年代，高程為42.45m，長度為74.6m，底板高程為29.42m，口徑為孔×高×寬=1×1.5m×1.5m，壩基土主要以淤泥、淤泥質土以及砂土等軟土為主。由于建設年代久遠，水閘出現了不同程度的不均勻沉降、裂縫和滑移，影響到結構的整體穩定性，故需要對其進行加固改造。加固改造后的壩頂高程和底板高程不變，長度增加至77m，口徑變為孔×高×寬=1×1.4m×1.8m，壩下涵管及兩側八字墻均采用C20混凝土澆筑，待養護達到設計強度之后，開始在涵身上回填土，土方回填高程達到38.4m，很容易造成涵管及八字墻出現滑移險情，故需要在施工前對涵管結構的受力變形進行分析。

2 數值模型建立

2.1 幾何模型

采用ABAQUS數值模擬軟件建立壩下涵管及八字墻模型[7- 8]，如圖1所示。模型的幾何長度為174m(河岸涵管一側分別向西和向東延伸50m)，寬度為102.1m(涵管開挖線兩側延伸30m)，深度為70m(涵管以下30m，涵管以上40m)。涵管八字墻均采用線彈性本構模型，土體采用摩爾庫倫本構模型，模型共包含286162個單元和157840個節點。模型在垂直邊界上施加水平方向的約束，在水平底部的邊界上施加垂直方向的約束。涵管C20的參數取值為：泊松比0.17，重度23.7kN/m3，黏聚力為20kPa，內摩擦角為57°，變形模量為22500MPa。

圖1 ABAQUS幾何模型

2.2 模擬方案

根據現場地質勘測資料和室內土工試驗成果，獲得了工程現場回填土抗剪強度參數隨含水率的變化關系，為了模擬回填過程中因降雨或者施工時壓實度不足所導致回填土可能出現的含水率情況，選取四種含水率對應的土體抗剪強度參數進行模擬分析，具體參數見表1。

表1 計算方案參數

2.3 計算過程

為了最大限制與現場實際回填施工過程相吻合，將涵管加固改造工程劃分為7個步驟：第1步，朝天口開挖并將原涵管結構拆除；第2步，焊管基礎粉噴樁施工；第3步，涵管基礎墊層混凝土澆筑；第4步，進行新涵管C20混凝土澆筑；第5步，按照設計要求將土方回填至涵管頂面；第6步，進出口八字墻混凝土澆筑；第7步，將土方分層回填至設計標高38.4m。

3 結果分析

3.1 受力分析

不同土體抗剪強度參數下的主應力極值模擬結果見圖2。從圖2可知：在方案一、二、三、四情況下，涵管的第一主壓力分別為-5.66、-5.31、-6.49、-4.94MPa，方案三的最大主壓力最大，其次為方案一，最小的為方案四，涵管的第一主拉力分別為2.81、2.89、2.6、0.16MPa；回填土抗剪強度參數改變，對涵管第一主壓力的影響小于對主拉力的影響，隨著抗剪強度參數的減小，第一主拉力最大值值逐漸減小，且當黏聚力10kPa、內摩擦角為6°(方案四)時，第一主拉力將大幅度降低；八字墻在方案一、二、三、四情況下，第一主壓力分別為-5.36、-0.02、-0.21、-0.2MPa，當土體抗剪強度參數降低方案二以后，土體抗剪強度參數對八字墻第一主壓力的影響將減小，最大第一主拉力分別為14.1、10.3、11.4、10.7MPa，當土體抗剪強度參數將至方案二以后，第一主拉力的變化將變小；回填土抗剪強度參數對八字墻第一主壓力的影響大于第一主拉力。

圖2 涵管、八字墻最大主應力模擬結果

3.2 變形分析

不同土體抗剪強度參數下的涵管、八字墻變形模擬結果如圖3所示。從圖3中可知：不同方案下涵管的豎向位移均大于八字墻的豎向位移，在方案一、二、三、四情況下，八字墻的豎向位移分別為-132.5、-130、-135.8、-131.8mm，土體抗剪強度參數對八字墻豎向位移的影響較小，在方案一、二、三、四情況下，涵管的豎向位移分別為-180、-197、-183、-177.4mm，當土體抗剪強度參數降至方案二時，涵管的豎向位移最大；不同方案下涵管的水平位移略大于八字墻的豎向位移，且兩者的水平位移方向相反，在方案一、二、三、四情況下，八字墻的水平位移分別為-8、-7.5、-8.3、-7.7mm，回填土抗剪強度參數變化對八字墻水平位移的影響較小，在方案一、二、三、四情況下，涵管的水平位移分別為15、14.7、15.3、10.9mm，當土體抗剪強度參數降至方案三時，涵管的水平位移最大。

圖3 涵管、八字墻最大位移模擬結果

3.3 塑性區體積

不同土體抗剪強度參數下回填土塑性區體積變化情況如圖4所示。從圖4中可知：在方案一下，塑性區體積為34.1m3，塑性區主要集中于第7節涵管上方，伸縮縫在涵管下沉和土體水平推力作用下產生張拉破壞；在方案二下，塑性區體積為40.1m3，塑性區體積較方案一增大17%，塑性區主要集中在第4、5節涵管和第7、8節涵管，在第4、5節涵管處發生剪切破壞，在第7、8節涵管處發生張拉破壞；在方案三下，塑性區體積為49.91m3，相較于方案一進一步增加，增大幅度為43%，在方案三下，土體塑性區由內部逐漸向邊坡表面擴展，導致張拉破壞發生，這說明回填土抗剪強度降低會增大土體塑性區，土體剪切破壞和張拉破壞的體積增大，壩體穩定性明顯降低；在方案四下，塑性區體積相比方案三有所減小，僅為44.15m3，這說明單純的減小回填土抗剪強度參數，不會使塑性破壞區體積一直增大，當抗剪強度參數降低至某一值后，塑性破壞區的體積反而會減小，這主要是因為涵管在收到回填土邊坡滑移趨勢的影響下，涵管所受的水平方向推力將逐漸增大，會平衡掉一部分因沉降而產生的壓應力，而且回填土會產生一定的水平方向滑動，導致涵管中段所受的土體荷載(土壓力)減小，故而張拉破壞區域體積也會隨之減小。

圖4 不同方案下塑性破壞區體積

3.4 抗滑穩定性

不同方案下的抗滑穩定安全系數對比如圖5所示。從圖5中可知：當黏聚力20kPa、內摩擦角為16°時，涵管和八字墻的抗滑穩定安全系數為3.99，抗滑穩定性良好，此時涵管及八字墻主要受主動土壓力的影響；當黏聚力16kPa、內摩擦角為12°時，涵管和八字墻的抗滑穩定安全系數降至2.134，安全系數降幅達到46.5%，這是因為由于土體抗剪切強度參數降低會導致下滑推力，下滑推力會增大涵管及八字墻發生水平向滑移的概率；當黏聚力12kPa、內摩擦角為7°時，涵管和八字墻的抗滑穩定安全系數僅為1.768，抗滑穩定性較差，因抗剪強度參數下降產生的下滑力進一步增加，雖然不足以完全克服阻力使整體發生滑移破壞，但破壞概率進一步增大；當粘聚力10kPa、內摩擦角為6°時，涵管和八字墻的抗滑穩定安全系數為0.917，安全系數低于1，表明涵管及八字墻極可能發生滑移破壞。

圖5 不同方案下抗滑穩定安全系數

4 結語

(1)抗剪強度參數對涵管豎向位移和水平位移的影響大于八字墻，但并不是抗剪強度參數越低，變形越大，八字墻在方案三時，豎向位移和水平位移最大，涵管在方案二時豎向位移最大，在方案三時水平位移最大。

(2)塑性區體積隨抗剪強度參數降低呈先增大后減小的變化特征，當在方案三時，塑性破壞區體積最大。

(3)當抗剪強度參數降至方案三時，抗滑穩定安全系數將低于2，施工過程中需要控制土體抗剪強度參數不能低于方案二。

(4)土體具有一定的流變性，在實際填筑過程中應該考慮時間效應的影響，才更能反應實際情況，這將在今后做進一步補充研究。