水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡的應(yīng)用研究

仲 曼,蔣紅俊,梁 音,李琴琴

(1.鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院,江蘇鎮(zhèn)江 212000; 2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡的應(yīng)用研究

仲 曼1?,蔣紅俊1,梁 音2,李琴琴2

(1.鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院,江蘇鎮(zhèn)江 212000; 2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京 210098)

軟基邊坡處理中常采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基。但受水平推力作用時樁體存在彎折效應(yīng)且施工時易出現(xiàn)劣質(zhì)層。本文采用水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡,采用數(shù)值分析的方法建立三維模型,分析加固前后邊坡的水平側(cè)移、沉降、應(yīng)力、邊坡穩(wěn)定性的變化,并深入的分析了連拱抗滑墻抗滑機(jī)理。研究表明連拱抗滑墻加固邊坡技術(shù)具有性能可靠、施工方便的優(yōu)勢,在軟基邊坡加固領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

水泥土連拱抗滑墻;軟基邊坡;數(shù)值模擬;抗滑機(jī)理

1 引 言

我國地域遼闊,大部分地區(qū)存在軟土地基。在此類地基上進(jìn)行土木工程活動,必然涉及軟弱土地基加固處理問題。如果采用水泥土攪拌樁作為支擋結(jié)構(gòu)[1],抗滑樁樁體相當(dāng)于底部嵌入地基的懸臂結(jié)構(gòu),樁頂在水平荷載作用下可產(chǎn)生較大位移,從而使樁體承受很大彎矩,發(fā)生彎折效應(yīng)后其水平承載力就會喪失[2],或者由于軟土強(qiáng)度低,極限荷載作用下可出現(xiàn)土體繞樁流動[3]。而且,施工時容易出現(xiàn)劣質(zhì)夾層,因而加固效果和可靠性不好。水泥土攪拌樁連拱抗滑墻[4]是近年剛提出的一種軟土邊坡加固結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)在水平方向上設(shè)置平行抗滑墻,并通過依拱形排列的水泥土攪拌樁組成的拱壁將平行抗滑墻連成一體,通過合理的幾何布置和傳力機(jī)制發(fā)揮抵抗邊坡水平位移的作用。

本文以南水北調(diào)金湖站河堤邊坡加固為例,研究該結(jié)構(gòu)的加固效果及其機(jī)理。壩頂設(shè)計高程15.0 m,場地內(nèi)標(biāo)高15.0 m～6.5 m為填土層。標(biāo)高5.0 m～6.5 m為雜填土,工程性質(zhì)一般;標(biāo)高2.0 m～5.0 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,含水率大,強(qiáng)度低,壓縮性高;標(biāo)高2.0 m及以下為粘性土,工程性質(zhì)較好。結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示[5],淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為軟弱土層,壓縮性高、強(qiáng)度低,邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為0.7,按照規(guī)范規(guī)定[6],二級邊坡允許抗滑安全系數(shù)為1.25,不能滿足要求。

圖1 河堤斷面結(jié)構(gòu)圖(單位/cm)

2 加固方案比選與分析

2.1 方案選擇

加固區(qū)域位于第一個坡腳下沿水平1 500 cm的長度范圍內(nèi),加固方案如下:方案①:以120 cm和160 cm間距布置梅花形水泥攪拌樁。樁體須進(jìn)入粘土層中2 m;方案②:攪拌樁樁間搭接20 cm形成樁墻,墻厚70 cm,樁體進(jìn)入粘土層中2 m。其單體構(gòu)造主要包括:拱形墻和抗滑長墻。拱形墻構(gòu)造采用180°的圓弧形,拱形墻半跨度為300 cm,抗滑墻長度為1 500 cm。水泥土連拱構(gòu)造如圖2所示:

圖2 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻平面圖

2.2 模型數(shù)值計算

數(shù)值計算借助于有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),在軟件中,巖土體變形的變形參數(shù)采用的是剪切模量(G)和體積模量(K),各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 方案①水泥土攪拌樁復(fù)合地基數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

2.3 計算結(jié)果分析

不加固、方案①和②破壞時的安全系數(shù)分別為0.7、1.25、2.5;不加固、方案①和②最大豎向位移分別為0.38 m、0.2 m、0.07 m;不加固、方案①和②的最大側(cè)向位移分別為0.4 m、0.169 m、0.04 m;方案②邊坡塑性區(qū)貫通時破壞云圖如圖4所示,邊坡豎向位移和側(cè)向位移分布云圖如圖5、圖6所示。

圖4 方案②安全系數(shù)和破壞時云圖

圖5 方案②拱墻加固邊坡橫向位移分布云圖

圖6 方案②拱墻加固邊坡豎向位移分布云圖

方案①情況下,軟土區(qū)土的Sxz剪應(yīng)力較大,最大為10 kPa,硬土區(qū)土的Sxz為30 kPa。方案②情況下,軟土區(qū)土的Sxz降低較快,最大為1 kPa,硬土區(qū)最大值為50.8 kPa。軟硬土層交界面處有明顯的應(yīng)力集中。方案②相比方案①,軟土區(qū)的最大Sxz從10 kPa減小到1 kPa,硬土區(qū)的最大Sxz從30 kPa增大到50.8 kPa,連拱抗滑墻把軟土區(qū)受的水平應(yīng)力通過墻底摩擦力向下傳入硬土層中,傳遞效果顯著,如圖7所示。

圖7 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固邊坡土體Sxz分布云圖(單位/Pa)

方案①和②兩種加固情況下軟基邊坡在不同深度特定位置處土體的剪應(yīng)力Sxz變化規(guī)律如圖8、圖9所示。進(jìn)一步看出,土的Sxz沿著邊坡深度的增加而逐漸增大,在硬土層達(dá)到最大;土的Sxz隨著離加固體端部的水平距離的增大而逐漸消減。這點(diǎn)說明水泥土攪拌樁連拱抗滑墻把軟土區(qū)受的水平應(yīng)力通過側(cè)壁摩擦力向外側(cè)土體傳遞,效果顯著。

圖8 方案①邊坡不同水平剖面土體Sxz的變化規(guī)律圖

圖9 方案②邊坡不同水平剖面土體Sxz的變化規(guī)律圖

方案①和②的樁(樁墻)單元軟硬土層交界面處的彎曲應(yīng)力分別0.37 MPa、1.25 kPa。可見方案①的樁單元要承受很大的彎曲應(yīng)力,方案②由于拱結(jié)構(gòu)的存在,將垂直于拱截面的水土壓力轉(zhuǎn)化為沿拱軸截面方向的軸壓力,可充分利用水泥土抗壓強(qiáng)度高的特性,有效避免樁身發(fā)生彎折破壞。圖10樁體彎曲應(yīng)隨著樁長變化圖。

圖10 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻攪拌樁彎曲應(yīng)隨著樁長變化圖

綜上可知,水泥土連拱抗滑墻結(jié)構(gòu)可有效加固軟基邊坡,明顯減小側(cè)向位移以及控制沉降,顯著提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

3 攪拌樁連拱抗滑墻的抗滑機(jī)制

梅花形布置的攪拌樁,樁體進(jìn)入硬土層中,樁體發(fā)揮水平向抗剪能力從而承擔(dān)整體抗滑作用,但因水泥土樁抗彎能力差容易產(chǎn)生彎折破壞從而削弱其水平抗滑能力。此外,梅花型分散布置攪拌樁攪拌工藝決定其容易形成劣質(zhì)夾層從而降低水平抗剪能力;而連墻型攪拌樁墻質(zhì)量容易保證,傳遞荷載可靠,這是單樁無法實(shí)現(xiàn)的。連拱抗滑墻方案加固邊坡軟基,能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗滑能力;同時該結(jié)構(gòu)型式水平截面抗彎能力大,基本不存在彎折問題。

湖泊面積大，岸線長，以高郵湖為例，760.67 km2的水域面積，僅僅依靠湖泊管理人員的眼觀腳量，不僅成本高、難度大，而且也很難準(zhǔn)確掌握湖泊流域的綜合情況。

水泥土拱通過拱作用將堤體一部分拱外水平推力(土壓力)傳遞到水泥土長墻,另一部分水平推力直接傳遞到拱內(nèi)土體中(拱內(nèi)土體主要為軟土);水泥土長墻通過側(cè)壁接觸抗剪能力將一部分水平推力傳遞到墻內(nèi)土體;長墻內(nèi)軟弱土層最終將其承受的水平推力傳遞到下部硬土層和長墻外側(cè)土體;水泥土長墻插入硬土層部分主要通過側(cè)壁和墻底將一部分水平推力傳遞至下部硬土層。

由于軟土層強(qiáng)度較低,特別是在其快剪指標(biāo)中摩擦分量很小,使得邊坡最危險圓弧滑面圓心角較大,表現(xiàn)為深大滑動面,滑坡體方量大,破壞性強(qiáng);對于有限深軟土地基的邊坡,例如有限厚度軟土層的下臥層為較硬土層的地基,最危險滑面一般為相切于硬土層的復(fù)合滑動面,宏觀表現(xiàn)為寬大滑動破壞。對于有限深軟基的邊坡工程加固,規(guī)范要求攪拌樁加固深度穿越最危險滑面進(jìn)入硬土層2 m以上[7]。當(dāng)攪拌樁承受雙側(cè)不平衡土壓力作用時,軟硬土層交界面攪拌樁體抗剪而發(fā)揮抗滑能力。

為研究樁體截面的受力情況,建立水泥土攪拌樁加固邊坡簡化模型進(jìn)行計算。攪拌樁有效樁長依據(jù)工程抗滑要求而定。此模型滿足兩個假設(shè):①攪拌樁樁體呈懸臂變形特征;②水泥土攪拌樁樁體受土壓力呈三角水平力分布模式。在此假設(shè)基礎(chǔ)上,樁體受的最大彎矩是最小的,屬于最有利情況。設(shè)三角形分布時攪拌樁受得的最大土壓力為P,攪拌樁體的有效樁長為H,如圖11所示,水泥土攪拌樁復(fù)合地基平面布置如圖12所示,水泥土連拱抗滑墻平面布置如圖13所示。

圖11 水泥土攪拌樁加固邊坡簡化模型

圖12 水泥土攪拌樁復(fù)合地基 平面布置圖

圖13 水泥土攪拌樁連拱抗滑墻平面布置圖

(1)水泥土攪拌樁復(fù)合地基單根樁抗滑力與最大剪應(yīng)力的關(guān)系:

T=3τmaxA/4=3πd2τmax/16

當(dāng)最大剪力Q等于抗滑力T時,樁體處于極限狀態(tài):P=3πd2τmax/8H

σt,max=M/W=2Hπd2τmax/(πd3)=2Hπmax/d

得:τmax=σt,maxd/2H

水泥土的抗拉強(qiáng)度σt,max與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的關(guān)系:當(dāng)qu＜1.5 MPa時,σt,max約等于0.2 MPa[8]。一般來說,水泥土攪拌樁由于受施工工藝影響,它的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu比水泥土小些,約為1.0 MPa,那么取σt,max=0.2 MPa,H=5～15 m,d=650～1 000 mm,得:(τ/qu)max=0.02。

水泥土等效抗剪能力約為抗壓強(qiáng)度的百分之二,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮水泥土的抗剪性能。規(guī)范規(guī)定的水泥土τ與無側(cè)限抗壓強(qiáng)qu須介于1/2～1/5之間[8]。

(2)水泥土攪拌樁連拱抗滑墻構(gòu)造與最大剪應(yīng)力的關(guān)系:

T≈τmaxA/2=(2Ld+πRd)τmax/2

當(dāng)最大剪力Q等于抗滑力T時,樁體處于極限狀態(tài)時:

式中σt,max、qu、H、d取值如上,L=11 m～15 m, R=2 m～5 m,得:(τ/qu)max=0.416。

水泥土等效抗剪能力約為抗壓強(qiáng)度的百分之四十幾,充分發(fā)揮了水泥土的抗剪性能[8]。

式中:T—截面抗滑力,W—抗彎截面模量,M—截面彎矩,Q—截面剪力,P—三角形分布時攪拌樁受的最大土壓力,τ—攪拌樁的剪應(yīng)力,qu—攪拌樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,d—攪拌樁的直徑,H—攪拌樁的高度,τmax—攪拌樁的最大剪應(yīng)力,σt,max—攪拌樁的最大拉應(yīng)力,L—抗滑墻長度,R—拱形墻高跨比,D—攪拌樁高跨比,t—攪拌樁搭接長度,C—攪拌樁的凈間距,YC—拱形墻跨度中心到水泥土連拱抗滑墻中心的距離。

綜上所述,當(dāng)采用插入硬土層的水泥土樁抗滑時,樁體發(fā)揮水平向抗剪能力從而承擔(dān)整體抗滑作用。當(dāng)樁體處于極限狀態(tài)時,水泥土復(fù)合地基的樁體極容易產(chǎn)生剪切破壞從而影響加固效果。此外,水泥土攪拌樁復(fù)合地基單樁分散布置容易形成劣質(zhì)夾層從而降低水平抗剪能力;而水泥土連拱抗滑墻質(zhì)量容易保證,傳遞荷載可靠,這是單樁無法實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)上述驗(yàn)證,水泥土攪拌復(fù)合地基不能充分發(fā)揮水泥土的抗剪性能而水泥土攪拌樁連拱抗滑墻構(gòu)造能夠充分發(fā)揮水泥土抗剪性能。

4 結(jié) 論

對于軟基邊坡工程的加固處理,本文采用一種新型的加固結(jié)構(gòu)——水泥土攪拌樁連拱抗滑墻。通過對傳統(tǒng)水泥土攪拌樁復(fù)合地基和連拱抗滑墻兩種加固結(jié)構(gòu)受力分析及三維有限元數(shù)值分析,深入的研究和探討了水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固結(jié)構(gòu)受力特征、土壓力荷載傳遞規(guī)律、變形特點(diǎn)。

研究表明,在同等條件下,水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固邊坡優(yōu)于水泥土攪拌樁復(fù)合地基,由于樁體連續(xù),單個樁體隨機(jī)分布的劣質(zhì)層不會顯著削弱抗滑墻整體抗滑能力,受施工過程成樁質(zhì)量影響較小;該結(jié)構(gòu)型式水平截面抗彎能力大,基本不存在彎折問題,抗彎剛度更大、受力更合理,能夠有效的發(fā)揮水泥土抗壓和抗剪性能,避免出現(xiàn)樁身拉應(yīng)力和彎折破壞;控制位移變形更加顯著,用于邊坡加固整體穩(wěn)定性更好。

水泥土連拱抗滑墻受力機(jī)理為:水泥土連拱抗滑墻構(gòu)造通過拱形作用將坡體一大部分拱外水平推力傳遞到水泥土抗滑墻,另一小部分水平推力直接傳遞到拱內(nèi)土體中;水泥土連拱抗滑墻構(gòu)造將其承受的水平推力主要通過側(cè)壁和墻底傳遞到下部硬土層和外側(cè)土體中。

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[5] 梁音.水泥土抗滑墻在邊坡加固中的應(yīng)用研究[D].南京:河海大學(xué),2013.

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Research on the Application of Cement-soil Arched Walls in the Anti-slide Reinforcement of Soft Ground Embankment

Zhong Man1,Jiang Hongjun1,Liang Yin2,Li Qinqin2
(1.Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute,Zhenjiang 212000,China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In the soft subsoil of slope,soil cement piles will bear lateral forces from slope sliding potential,which will cause pile crack because of poor tension strength of soil cement.A new structure of cement-soil mixing pile is raised to improve the anti-slide reinforcement of soft ground embankment.The numerical simulation method is employed to analyze the structure by the dimensional models.Referring to the analysis of the results,displacement,settlement,stress, slope stability conditions after reinforcement.The cement-soil arched walls could make well performance and convenient construction.There is a great application prospect in fields of soft ground slope reinforcement.

cement-soil arched walls;soft-based embankment;numerical simulation;anti-slide mechanism

2014—04—02

仲曼(1986—),男,助理工程師,主要從事巖土工程勘察及巖土設(shè)計等工作。