張 旭

（深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳518003)）

針對河道整治工程中遇到的水泥土攪拌樁復(fù)合地基上建造重力式擋土墻的情況，采用有限元軟件midas GTS NX 進行整體的二維數(shù)值模擬，分析在土壓力作用下復(fù)合地基及擋土墻整體的受力變形，為工程方案設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 設(shè) 計

研究的河道整治工程位于深圳市寶安區(qū)福永街道坳頸涌。擬整治河道的長度約500 m，河道寬度約18 m，河道設(shè)計采用防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計洪峰流量為95.12 m3/s。河道堤岸采用重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，擋土墻的高度為4 m，擋墻上部結(jié)構(gòu)為C20 素混凝土，擋墻下部底板為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度為300 mm。地基處理采用水泥土攪拌樁，樁徑為φ550,攪拌樁平面尺寸按1.45 m×1.5 m 布置，樁底標(biāo)高以伸入礫質(zhì)粘性土層3 m 控制，樁底標(biāo)高超出最危險滑動面大于2 m，樁長度為7～9 m 不等。攪拌樁采用425 號普通硅酸鹽水泥，水灰比0.4，施工工藝為3 噴6 攪，水泥土攪拌樁28 天抽芯檢測設(shè)計強度不小于1.0 MPa。開挖基坑下部采用拉森Ⅱ鋼板樁支護，上部基坑放坡處理，基坑的穩(wěn)定性已經(jīng)通過理正基坑支護計算軟件驗算合格。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘鉆探揭露，場地地層情況自上而下分別為：素填土、第四系海淤積層（巖性為淤泥）及殘積砂質(zhì)粘性土。場地存在不良的地層主要為淤泥層，呈流～軟塑狀，屬于低強度、高壓縮性土層，其承載力低，容易產(chǎn)生壓縮變形，厚度介于4.40～6.70 m，地勘報告給出的淤泥層天然地基承載力參考建議值只有30 kPa。該區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2 結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.1 計算軟件

midas GTS NX(New experience of Geo-technical analysis System)是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，支持靜力分析、動力分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、邊坡穩(wěn)定分析等多種分析類型，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、巖土等各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析，并提供了多種專業(yè)化建模助手和數(shù)據(jù)庫，可以對復(fù)雜的幾何模型進行可視化的直觀建模。另外，GTS NX 獨特的Multi-Frontal 求解器能為我們提供最快的運算速度，這也是最強大的功能之一。在后處理中，能以圖表形式自動輸出簡潔實用的計算書。GTS NX 已經(jīng)通過了QA/QC 質(zhì)量管理體系認(rèn)證，能確保計算結(jié)果的精度和質(zhì)量[1，2]。

2.2 計算模型及相關(guān)參數(shù)的確定

由于擋土墻及復(fù)合地基只在平面內(nèi)有應(yīng)變（垂直水流方向），與河道垂直方向的應(yīng)變可忽略，故模型為平面應(yīng)變問題，采用二維模型進行計算。優(yōu)化的計算模型寬度為30 m，高度15 m。模型共劃分470 個單元。模型中土體采用的摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土層、擋土墻、擋土墻底板均采用平面應(yīng)變單元，水泥土攪拌樁采用一維線單元。模型的所有邊界條件均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面Y 方向位移約束，左右邊界X方向位移約束。根據(jù)地質(zhì)勘察報告、相關(guān)規(guī)范及專業(yè)書籍[3,4]，土層及結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中，土體的彈性模量一般取2～4 倍的土體壓縮量得到，本模型計算中取為3 倍。模型荷載方面主要考慮土體及結(jié)構(gòu)的自重，擋土墻后填土頂面按臨時堆載10 kPa 考慮。

表1 土層及結(jié)構(gòu)材料的基本物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

文中主要研究復(fù)合地基在上部荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和受力情況，結(jié)果主要是整體結(jié)構(gòu)的變形云圖、復(fù)合地基樁間土及水泥土攪拌樁的應(yīng)力云圖。

3.1 模型整體變形情況

通過計算，得出了模型整體的水平位移（X 方向）及豎向位移（Y 方向），見圖1和圖2所示。

由圖1和圖2的計算結(jié)果分析可以得出：擋土墻及復(fù)合地基產(chǎn)生了一定程度的水平位移，最大的位移發(fā)生在淤泥層范圍，最大水平位移為2.26 cm，擋墻頂?shù)乃轿灰茷?.58 cm，基本滿足規(guī)范要求。墻頂處位移小于墻趾處位移，位移差約0.7 cm，擋土墻的傾斜率約0.15%，傾斜程度非常小可以忽略不計。同時，擋土墻及復(fù)合地基也產(chǎn)生了一定程度的豎直位移，變形比較大的范圍也主要集中在淤泥層，復(fù)合地基的沉降量約2.96 cm，根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL379-2007）[4]中的條文要求，在保證擋土墻安全和正常使用的情況下，土質(zhì)地基上的擋土墻最大沉降量不宜超過15 cm，故復(fù)合地基的沉降量也是滿足要求的。模型中擋土墻后一定范圍的填土產(chǎn)生約8 cm 左右的沉降，但考慮到實際情況這部分填土并未開挖，固結(jié)沉降已經(jīng)完成且周圍沒有現(xiàn)有建筑物，所以這部分沉降可以不用考慮。

3.2 復(fù)合地基受力情況

通過計算，得出了水泥土攪拌樁受力及復(fù)合地基的應(yīng)力情況，見圖3和圖4所示。

圖1 水平位移云圖

圖2 豎直位移云圖

圖3 水泥攪拌樁軸力

圖4 復(fù)合地基應(yīng)力云圖

由圖3和圖4計算結(jié)果分析可以得出：并排設(shè)置的4 根水泥土攪拌樁并非均勻的受載，墻踵下的攪拌樁受力稍大約為147 kN，墻趾下攪拌樁受力約為58 kN，并且攪拌樁上部軸力明顯要大于下部軸力。復(fù)合地基粗砂褥墊層處樁和樁間土分擔(dān)受力情況明顯，最大應(yīng)力位置為墻踵下攪拌樁樁頭，應(yīng)力值達到385 kPa，較小處位于墻趾下攪拌樁樁頭，應(yīng)力值為56 kPa，由工程類比可知水泥土攪拌樁強度可以達到0.8 MPa 以上，故攪拌樁可以滿足規(guī)范要求。樁間應(yīng)力呈現(xiàn)出兩側(cè)樁間應(yīng)力大于中間樁間應(yīng)力情況，最大壓應(yīng)力為28 kPa，根據(jù)地勘報告給出的樁間土地基承載力參考建議值為30 kPa，故可以滿足要求?？紤]到擋墻后一部分原有填土已經(jīng)沉降固結(jié)，上述結(jié)果均是偏于保守的。

4 結(jié) 語

河道整治工程中遇到的水泥土攪拌樁復(fù)合地基上建造重力式擋土墻的情況，采用有限元軟件midas GTS NX 進行整體的二維數(shù)值模擬，分析在土壓力作用下復(fù)合地基及擋土墻結(jié)構(gòu)整體的受力變形，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)不但發(fā)生了豎直位移也發(fā)生了水平位移，但都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，攪拌樁及樁間土應(yīng)力也均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

［1］ 王瑁成. 有限單元法. 北京: 清華大學(xué)出版社,2004.

［2］ Midas GTS NX Analysis Reference［R］. 北京：北京邁達斯技術(shù)有限公司,2013.

［3］ SL191-2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.中華人民共和國水利部，2008.

［4］ 陳希哲. 土力學(xué)地基基礎(chǔ)（第4 版）［M］.清華大學(xué)出版社，2003