仲曼,蔣紅俊,梁音,李琴琴(．鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院,江蘇鎮(zhèn)江 000; ．河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京 0098)

水泥土連拱抗滑墻加固結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

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)

摘 要:水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡,能夠充分發(fā)揮水泥土抗壓能力和抗剪能力,同時從機理上避免彎折效應(yīng)而又能有效消除隨機劣質(zhì)層的影響。本文對水泥土連拱抗滑墻加固結(jié)構(gòu)的工作性狀進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,探討了加固結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的變化對邊坡抗滑效果的影響。分析了墻厚、連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度、抗滑墻長度等參數(shù)對加固效果的影響,為工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:水泥土連拱抗滑墻；軟基邊坡；失穩(wěn)破壞模式；性狀分析

1　引 言

水泥土攪拌樁法常用于加固軟弱地基,是一種較為常用的地基處理方法。它是利用水泥作為固化劑,通過深層攪拌機械鉆進(jìn)時往軟土中噴射霧狀粉體或漿液,在地基深處將軟弱土固化成為具有足夠變形模量、強度和穩(wěn)定性的水泥土。根據(jù)固化劑摻入狀態(tài)的不同,可將其分為漿液攪拌和粉體噴射攪拌兩種(即常說的濕噴和干噴)[1]。在廈門國際大廈基坑加固[2]和馬鋼港務(wù)原料場火車汽車地下受料槽[3]的工程應(yīng)用中已經(jīng)取得了較好的經(jīng)濟效益、效果良好。

文獻(xiàn)[4]對比分析了南水北調(diào)金湖站河堤邊坡不同的加固方案,研究表明水泥土連拱抗滑墻在加固邊坡中優(yōu)于水泥土攪拌樁復(fù)合地基,并分析了水泥土連拱抗滑墻的受力機理。

為了在工程中更加充分地發(fā)揮水泥土連拱抗滑墻攪拌樁的優(yōu)越性,使該結(jié)構(gòu)達(dá)到施工方便、經(jīng)濟合理的目的,同時使材料利用更加合理經(jīng)濟,現(xiàn)對該加固結(jié)構(gòu)工作性狀進(jìn)行對比分析。在保證邊坡穩(wěn)定前提下,利用數(shù)值計算的優(yōu)勢,對連拱抗滑墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2　算例設(shè)計

水泥土連拱抗滑墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù):連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度H、水泥土攪拌樁抗滑墻長度L、墻厚(樁徑)d,如圖1所示。

為了充分研究以上參數(shù)對加固效果的影響,本文設(shè)計了以下算例,在各個算例中,水泥土攪拌樁和邊坡的參數(shù)取值同文獻(xiàn)[4]。水泥土攪拌樁連拱抗滑墻設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1　水泥土攪拌樁連拱抗滑墻平面圖

水泥土連拱抗滑墻設(shè)計參數(shù) 表1

在以上計算模型中,仍取半跨加固結(jié)構(gòu)分析,僅考慮半跨的結(jié)果,半跨長度為3 m。

為了充分研究邊坡加固效果隨參數(shù)變化的情況,降低其他次要因素的干擾,在分析中僅研究邊坡及加固結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵值的響應(yīng)情況。

攪拌樁是由具有一定剛度的脆性材料所構(gòu)成,其抗拉強度要比抗壓強度小得多,在工程中要充分發(fā)揮抗壓強度高,回避抗壓強度低的特點;土體水平側(cè)移、沉降是加固效果考慮的重要指標(biāo),它直接影響到周邊建筑物、道路和地下管線的安全,尤其在軟弱土地基加固時,更要嚴(yán)格其變形;河岸、堤防和道路等軟基邊坡工程的加固處理最重要的問題是提高坡體整體抗滑穩(wěn)定性[5]。具體從變形、受力、安全系數(shù)等幾個方面,對加固效果進(jìn)行分析。其中關(guān)鍵因素包括:①拱墻截面受到的最大壓應(yīng)力σc,max(kPa);②邊坡體內(nèi)最大側(cè)移(cm);③邊坡頂部最大沉降(cm);④邊坡破壞時整體安全系數(shù)F;⑤邊坡破壞時塑性區(qū)變化情況。

3　計算結(jié)果及分析

3．1墻厚的影響

隨著墻厚的增大,抗壓截面增大,拱墻的最大壓應(yīng)力減小,雖不利于水泥土的抗壓性能的充分發(fā)揮但是卻滿足抗壓強度要求;攪拌樁是由具有一定剛度的脆性材料所構(gòu)成,其抗拉強度要比抗壓強度小得多,在工程中要充分發(fā)揮抗壓強度高,回避抗拉強度低的特點。那么墻厚只要使得水泥土最大拉應(yīng)力控制在極限拉應(yīng)力范圍內(nèi)即可。如圖2、圖3所示:

圖2　拱體最大壓應(yīng)力隨墻厚變化曲線圖

圖3　拱墻最大剪應(yīng)力隨墻厚變化曲線圖

隨著墻厚的增大,連拱抗滑墻的抗剪剛度增加,墻的剪應(yīng)力顯著減小。那么在其他條件不變的情況下,墻厚的增大可以有效防止連拱抗滑墻發(fā)生剪切破壞。如圖4、圖5所示:

圖4　坡內(nèi)土體最大側(cè)移隨墻厚變化曲線圖

圖5　邊坡頂土體最大沉降隨墻厚變化曲線圖

隨著墻厚的增大,增大了墻體抗側(cè)移滑動剛度,邊坡水平側(cè)移、豎向沉降顯著減小。那么在其他條件不變的情況下,墻厚的增大能有效控制邊坡變形。如圖6、圖7所示:

圖6　邊坡整體安全性隨墻厚變化曲線圖

圖7　邊坡破壞時塑性貫通區(qū)隨墻厚變化圖

隨著墻厚的增大,邊坡整體安全穩(wěn)定性系數(shù)提高顯著且超過規(guī)范要求的邊坡允許抗滑安全系數(shù)。從經(jīng)濟性角度來看,墻厚不宜過大只要滿足抗滑要求即可。

3．2連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的影響

隨著連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增大,連拱抗滑墻承受的荷載增大從而引起壓應(yīng)力的增大,但是沒有超出水泥土的極限壓應(yīng)力,進(jìn)入硬土層深度的增大有利于連拱抗滑墻有效發(fā)揮水泥土抗壓特性;同時,隨著抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增加,增大了抗滑墻的抗彎折能力,能夠避免水泥土攪拌樁身發(fā)生拉裂破壞。如圖8、圖9所示:

隨著連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增大,硬土層分擔(dān)的水平推力增大,拱體最大剪應(yīng)力逐漸增大。如圖10、圖11所示:

圖8　拱體最大壓應(yīng)力隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化曲線圖

圖9　拱體最大剪應(yīng)力隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化曲線圖

圖10　坡內(nèi)土體最大側(cè)移隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化曲線圖

圖11　邊坡頂土體最大沉降隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化曲線圖

隨著連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增大,抗滑能力增強,邊坡水平側(cè)移、豎向沉降都顯著減小。這說明連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度越大,控制邊坡變形越顯著。如圖12所示:

圖12　邊坡整體安全性隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化曲線圖

隨著連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增大,安全性系數(shù)顯著增加。當(dāng)連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度從0．5 m增加到2 m時,連拱抗滑墻抗滑效果呈直線增加,這是由于硬土層分擔(dān)的水平推力隨著進(jìn)入硬土層深度的增大而增加;當(dāng)進(jìn)入硬土層深度達(dá)到并超過2 m時,安全可靠性小幅度增加,這是由于進(jìn)入硬土層深度增加到一定值時,硬土層分擔(dān)的水平推力達(dá)到最大。這說明連拱抗滑墻通過插入硬土層一定深度,硬土層分擔(dān)軟土層所受的水平推力,從而實現(xiàn)軟基邊坡中的抗滑機理。

從圖13中還可以看出,連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度進(jìn)入1 m時即可滿足規(guī)范所規(guī)定的抗滑要求[6]。連拱抗滑墻是通過進(jìn)入硬土層足夠的深度來保障其抗滑性,相比傳統(tǒng)型水泥土攪拌樁,其進(jìn)入硬土層深度明顯減小。

圖13　邊坡破壞時塑性貫通區(qū)隨連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度變化圖

當(dāng)H＜1 m時,剪切破壞塑性貫通區(qū)沿著軟硬土層交界面發(fā)生。當(dāng)H≥1 m時,剪切破壞塑性貫通區(qū)沿著拱墻下端硬土層發(fā)生。隨著連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度的增大,邊坡失穩(wěn)塑性貫通區(qū)逐漸向硬土層發(fā)展。

3．3抗滑墻長度的影響

隨著抗滑墻長度的增大,抗壓截面增大,拱墻最大壓應(yīng)力略微下降;連拱抗滑墻整體的抗彎截面增加。那么連拱抗滑墻長度的增加能有效發(fā)揮水泥土抗壓強度高,回避抗拉強度低的特點。如圖14、圖15所示:

抗滑墻長度的增加增大了水泥土連拱抗滑墻的抗剪截面,在受到相同荷載條件下,拱體最大剪應(yīng)力逐漸減小。如圖16、圖17所示:

圖14　拱體最大壓應(yīng)力隨抗滑墻長度變化曲線圖

圖15　拱墻內(nèi)最大剪應(yīng)力隨抗滑墻長度的變化曲線圖

圖16　坡內(nèi)土體最大側(cè)移隨抗滑墻長度變化曲線圖

圖17　邊坡頂土體最大沉降隨抗滑墻長度變化曲線圖

隨著抗滑墻長度的增大,邊坡的側(cè)移和沉降略微減小。因此增加抗滑墻長度并不能顯著控制邊坡的水平位移和豎向沉降。如圖18、圖19所示:

圖18　邊坡整體安全性隨抗滑墻長度變化曲線圖

圖19　邊坡破壞時塑性貫通區(qū)隨抗滑墻長度變化圖

隨著抗滑墻長度的增大,邊坡安全性的提高效果顯著。

由圖可知,隨著抗滑墻長度的增大,安全穩(wěn)定性增加顯著而塑性貫通區(qū)的變化不明顯。這是由于抗滑墻長度的增加增大了連拱抗滑墻與硬土層的接觸摩擦力,那么硬土層即能承擔(dān)更多的水平推力。

4　結(jié) 論

通過分析水泥土連拱抗滑墻加固結(jié)構(gòu)各設(shè)計參數(shù)的改變情況下各響應(yīng)值變化規(guī)律,主要得到了以下結(jié)論:

連抗滑墻進(jìn)入硬土層深度和抗滑墻的長度的增加能使水泥土抗壓強度高的特性得到充分發(fā)揮,同時能避免樁身發(fā)生拉裂破壞。

要充分發(fā)揮水泥土抗壓性能同時避免樁身發(fā)生拉裂破壞,墻厚不宜太大,墻厚取值只要達(dá)到使得水泥土最大拉應(yīng)力在極限拉應(yīng)力范圍內(nèi)即可。

抗滑墻長度和墻厚的增加都能使得連拱抗滑墻的剪應(yīng)力顯著減小。

連抗滑墻進(jìn)入硬土層深度、墻厚的增加都能有效控制邊坡變形,其中連抗滑墻進(jìn)入硬土層深度這一參數(shù)影響最為明顯。

連抗滑墻進(jìn)入硬土層深度、墻厚、抗滑墻長度的增加都能有效提高邊坡的安全性。其中連拱抗滑墻進(jìn)入硬土層深度和抗滑墻長度對邊坡安全性來說是最關(guān)鍵的影響參數(shù)。

連拱抗滑墻是通過進(jìn)入硬土層足夠的深度和接觸摩擦力來保障其抗滑性,相比傳統(tǒng)型的水泥土攪拌樁,其進(jìn)入硬土層深度明顯減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 林靖,李超,左宇寧．基坑工程手冊[M]．西安:中國建筑工業(yè)出版社,2009．

[2] 卓叢權(quán),李孟生,高家海．連拱式組合拱結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)技術(shù)在工程中的應(yīng)用與實踐[J]．勘察科學(xué)技術(shù),2004,3: 37～41．

[3] 曹福杰．水泥土攪拌樁拱形壩體在軟土深基坑支護(hù)中的應(yīng)用[J]．建筑技術(shù),1999,30(2):98～99．

[4] 仲曼,蔣紅俊,梁音等．水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡的應(yīng)用研究[J]．城市勘測,2014(5):167～171．

[5] 李琴琴．水泥土攪拌樁連拱抗滑墻在軟基邊坡加固中的應(yīng)用研究[D]．南京:河海大學(xué),2012．

[6] GB50330-2002．建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S]．

Research on Reinforcement Structure Optimization of the Cement-soil Arched Walls

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)

Abstract:A new structure of cement-soil mixing pile is raised to improve the anti-slide reinforcement of soft ground embankment．The cement-soil arched walls embedded in the soft subsoil will transfer lateral forces in reasonable ways．Detailed research shows that the structure of arched walls can greatly increase slope stability and reliability．A systematic behavior analysis of the cement-soil arched walls is carried out to study the influence of the variation of structural design parameters to the retaining effeets．The factors such as pile diameter,depth of arched walls into the hard soil,length of the sliding wall ,are taken into account to analyze the retaining effeet．Through the analysis ,the reasonable values for these parameters are pointed out which can be applied as a theoretical guide for engineering practice．

Key words:cement-soil arched walls;soft-based embankment;instability and failure mode;character analysis

文章編號:1672-8262(2015)05-163-05中圖分類號:TU472．3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

收稿日期:?2015—06—01

作者簡介:仲曼(1986—),男,碩士,助理工程師,主要從事巖土工程勘察及巖土設(shè)計等技術(shù)工作。