雙學珍,于廣斌,李 楨
(1.四川水利職業(yè)技術學院,四川 崇州 611230;2.中國安能建設集團有限公司第三工程局,四川 成都 610000)
軟土地基是指地層中主要以軟土層為主且涵蓋了粉砂質、泥質黏土巖等組成的地基,軟土層常常較厚,達到幾十米以上[1]。面對軟土地基,水利工程建設常常較為棘手,大壩穩(wěn)定性受到威脅。鑒于此,當水利工程中遇到大面積軟土地基時,研究合理科學的應對措施具有重要的實際意義[2]。國內外已有諸多學者研究過軟土地基處理方法,集中于換土墊層[3]、加筋土[4,5]、壓重臺法[6]、擠密砂樁[7]等手段,其中擠密砂樁技術愈來愈成熟,在水利工程領域應用愈來愈廣泛。分析擠密砂樁處理軟土地基效果具有重要的實際工程意義,基于有限元軟件分析擠密砂樁復合地基穩(wěn)定性,為復合地基穩(wěn)定性研究提供重要的實際依據(jù)。
某水庫工程位于長江以南地區(qū),建設初期考慮防洪為主,后期修繕增加了農(nóng)田灌溉、蓄水等功能。水庫防洪庫容占比達到56.5%,水利灌溉庫容達到12.5%,總庫容約11.51 億m3,惠及農(nóng)田面積超過2.67 萬 hm2,供應生活及工業(yè)用水超過 7 500 萬 m3。水庫大壩由混凝土壩與土壩混合組成,其中混凝土壩段長約403.9 m、土壩段長約3 101.6 m。壩頂高程達105.2 m,寬度為7.5 m,鋪設有瀝青混凝土。土壩3個階地壩段坡度分別為1/2.5、1/2.7、1/3,為保證壩體邊坡穩(wěn)定性,已采用混凝土護砌形式護坡,并在砌塊下鋪設有粒徑2~30 mm 的碎石墊層及0.2 m 厚中粗砂礫,且在上下游90 m處設置有擋土墻壓重臺。該工程按照1 000 a一遇洪水設計,設計水位為93.54 m,泄洪流量為12 010.5 m3/s,相應庫容8.54 億m3。壩體心墻寬度為4.0 m,上下游坡度為1/0.5。
由于該水庫工程壩體以土壩段為主且土壩段穩(wěn)定性危險較大,因而筆者重點對土壩段工程地質情況介紹分析。
(1)五里店丘陵壩段?;鶐r主要分為上下第三系兩個李家坡地質組,兩者之間巖性呈角度不整合接觸,均為紫紅色黏土巖;不同的是下第三系李家坡組含有薄夾層,夾層內含有砂礫質巖性,上第三系李家坡組含泥質成分較多。第四系土層中,主要為低塑限黏土層,半風化,厚度為18.7~25.8 m。
(2)二級階地壩段。屬于雙層巖土質結構,上層為第四系河流沖積形成的河流相地貌,以風化嚴重的紅色砂礫石為主,厚度為12~17.5 m;下層由砂巖與砂礫石組成,往南方向上顆粒逐漸變細,但堆積厚度在逐漸增加。
(3)一級階地壩段。呈明顯的巖石、土質兩層。上覆土層為第四系沖積形成的低液限紅色黏土,厚度達到7~13 m,主要是上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)地層,在紅色黏土下部還有部分砂巖,并與下部變質巖石呈不整合接觸,變質巖呈灰黃或灰白色,厚度2~9 m。
工程地質勘察結果表明,該土壩段上覆土層軟土較多,可能造成不均勻沉降,影響壩基穩(wěn)定性;壩基下部巖土層主要為砂礫石,防滲性能較差,極易導致流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象出現(xiàn)。同時,現(xiàn)場標準貫入試驗結果顯示,一級階地壩段達中等嚴重級砂土液化,液化地層達8 m深,因而需要對該壩段液化砂土層做防液化處理。
工程地質勘察結果表明,該水庫壩基存在穩(wěn)定性問題,需要進行地基處理。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[8],采用擠密砂樁法處理壩體地基,可以增強壩基承載力,擠密砂樁為樁徑80 cm、邊長3.5 m 的等邊三角形。這里,筆者分析采用擠密砂樁處理后的危險斷面穩(wěn)定性,并依據(jù)不同工況計算出該斷面的應力變形。
依據(jù)該水庫工程壩體結構和壩基工程地質剖面,基于ANAYS 數(shù)值模擬軟件建立三維有限元模型,如圖1所示。模型單元體為八節(jié)點六面體,共有20 368 個節(jié)點、18 527 個單元。土體強度計算準則采用鄧肯EB模型,混凝土材料強度計算采用線彈性變形模型,壩基滲流計算采用基于Biot 固結理論滲流的計算方法。
為了計算出壩基滲流穩(wěn)定性,需要確定壩基滲透系數(shù)。由于采用了擠密砂樁結合原狀土,所以該地基為復合地基,而確定復合地基滲透系數(shù)需要堅持2個原則。
(1)滲流方向為水平向條件下,復合地基滲透速度取決于擠密砂樁間土,因而復合地基滲透系數(shù)與樁間土滲透系數(shù)一致。
(2)滲流方向為垂直向條件下,參照有關規(guī)范,復合地基滲透系數(shù)由下式計算可得:
式中:Kc,Ks分別指擠密砂樁與樁間土的滲透系數(shù);n為復合地基置換率。
在開始有限元模型分析之前,通過室內常規(guī)三軸試驗,獲得復合地基的變形參數(shù),其中混凝土彈性模量為25.5 GPa、泊松比為0.167,以線彈性變形模型為強度變形計算準則,計算采用的參數(shù)詳見表1,為后文有限元分析計算提供依據(jù)。
表1 土層計算模型選用參數(shù)
根據(jù)工程地質條件,選定壩基擠密砂樁處理的復合地基2+100、3+105號2個斷面進行應力變形分析,并依據(jù)不同工況條件計算出壩基應力變形。
3.2.1 竣工期應力變形
圖2 為2+100 號斷面竣工期位移、沉降量和應力水平計算云圖,圖3為3+105號斷面竣工期位移、沉降量和應力水平計算云圖。
圖2 2+100號斷面竣工期位移、沉降量和應力水平計算云圖
圖3 3+105號斷面竣工期位移、沉降量和應力水平計算云圖
依據(jù)水平位移、沉降量及應力水平,給出竣工期復合地基2+100、3+105號2個危險斷面應力變形特征最大值,詳見表2。結合2個斷面應力水平與變形變化特征可知,竣工期復合地基最大沉降量位于2+100 號斷面;順下游方向,3+105 號斷面變形面積較大,但總變形量不及2+100號斷面;應力影響范圍及量值均是2+100號斷面更強。
表2 竣工期工況下2個斷面應力變形特征極值
圖4—5 為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖4—5可看出,隨著壩體軸線方向上巖土層不同,壩體沉降量逐漸發(fā)生明顯變化,但最終沉降量維持在0.23~0.44 m;各個壩段水平方向位移量受巖土層變化影響較小,僅僅在壩體軸線發(fā)生彎曲處水平位移量較大。
圖4 沿壩軸線方向壩體水平位移
圖5 沿壩軸線方向壩體沉降量
依據(jù)竣工期完成的防滲墻,計算防滲墻斷面上最大、最小主應力,如圖6所示。從圖6可看出,土壩段防滲墻最大主應力均在0.5 MPa 以下,最小主應力量值均大于0,并沒出現(xiàn)拉應力危險區(qū)域。在混凝土壩段與土壩段連接處,防滲墻最大主應力為整個壩體最大值,但量值仍在1 MPa以內,且出現(xiàn)的拉應力區(qū)域較小。
3.2.2 滿蓄期應力變形
圖7 為2+100 號斷面滿蓄期位移、沉降量和應力水平計算云圖,圖8為3+105號斷面滿蓄期位移、沉降量和應力水平計算云圖。
圖6 防滲墻竣工期應力變形云圖
圖7 2+100號斷面滿蓄期位移、沉降量和應力水平計算云圖
表3 為水庫工程滿蓄期壩基2+100、3+105 號2個斷面應力變形特征極值。最大沉降量依然是在2+100號斷面處,2+100號斷面順河向水平最大位移量比3+105號斷面提升了19%;2個斷面最小主應力均出現(xiàn)了拉應力區(qū)域,但是量值較小,以2+100號斷面最大。
圖8 3+105號斷面滿蓄期位移、沉降量和應力水平計算云圖
表3 滿蓄期工況下2個斷面應力變形特征極值
圖9 沿壩軸線方向壩體水平位移
圖10 沿壩軸線方向壩體沉降量
圖9—10為沿壩軸線方向的壩體水平位移和沉降量。從圖9—10可看出,隨著壩軸線延伸,各個壩段巖土層不同,壩體水平位移量主要為0.02~0.06 m,其突變值與竣工期類似,主要發(fā)生在壩軸線彎曲處即不同壩段連接處;壩體沉降量為0.2~0.4 m,最大沉降量亦是出現(xiàn)在壩軸線彎曲處。
圖11 防滲墻滿蓄期應力變形云圖
從圖11 可看出,相比竣工期,滿蓄期壩體防滲墻最大主應力和最小主應力值增大較明顯,在壩基土層性質突變段最大主應力和最小主應力最大,且相應的拉應力、壓應力區(qū)域較大。
3.2.3 計算結果歸納
沿壩軸線方向上,受壩基土層差異性變化較大影響,各個壩段土層變形模量各異,壩體沉降量起伏變化明顯。竣工期最大沉降量為0.478 m,出現(xiàn)在2+100 號斷面土層處;滿蓄期最大沉降量同樣出現(xiàn)在2+100 號斷面,但低于竣工期。竣工期順河向壩體最大水平位移值在下游,達0.148 m;滿蓄期順河向水平位移亦以下游位移為主,上游最大水平位移只有0.108 m。沿壩軸線方向上,竣工期與滿蓄期最大水平位移量近乎相等。從最大水平位移發(fā)生區(qū)域來看,竣工期與滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號斷面,其中 3+105 號斷面為土壩與混凝土壩連接處、2+100 號斷面主要為軟土層壩段。從防滲墻的應力水平來看,整體量值均較小,大主應力最大值在1 MPa以內,小主應力出現(xiàn)的拉應力值在0.1 MPa內。壩體沉降和位移量極值,詳見表4。
表4 壩體沉降和位移量極值
基于有限元計算結果可知,最大順河向水平位移發(fā)生在2+100 號斷面,量值分別為0.148 m(竣工期)、0.178 m(滿蓄期)。壩體分別在2個工況下的沉降量和水平位移量計算結果,與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值比較符合壩體安全性要求。這表明采用擠密砂樁處理地基效果較好。
依據(jù)水庫工程地質勘察資料分析結果,采用擠密砂樁處理軟土層地基,并基于有限元分析方法獲得了兩種不同工況條件下壩體斷面應力變形結果,有以下4點結論。
(1)竣工期與滿蓄期最大沉降量均出現(xiàn)在2+100 號斷面處,竣工期工況下沉降量極值最大達0.521 m,滿蓄期最大沉降量極值為前者的81.6%。
(2)竣工期和滿蓄期水平位移最大值分別出現(xiàn)在2+100、3+105 號斷面處;竣工期和滿蓄期最大水平位移均以下游壩體為主,竣工期最大水平位移量達0.148 m,滿蓄期上游最大水平位移量只有0.108 m。沿壩軸線方向上,竣工期和滿蓄期最大水平位移量近乎相等。
(3)從防滲墻的應力水平來看,整體量值均較小,大主應力最大值在1 MPa以內,小主應力出現(xiàn)的拉應力值在0.1 MPa內。
(4)壩體沉降量和水平位移量計算結果與壩體沉降極值和水平位移規(guī)范允許值相比均在安全區(qū)間,滿足了設計要求,從而驗證了采用擠密砂樁處理軟土地基的有效性。