陸鵬源

（中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)水利所，廣東 中山，528437）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量硬底化設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致匯入河道的雨水增加，加之近年臺(tái)風(fēng)暴雨頻發(fā)，許多堤防已不滿足當(dāng)前防洪（潮）要求，亟待加高加固處理[1，2]。水泥攪拌樁是通過攪拌樁機(jī)使水泥與土體發(fā)生系列反應(yīng)，使軟土硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度的地基處理方法，因其具有施工速度快、質(zhì)量易控制、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基加固應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用與關(guān)注[3-5]。

目前，很多專家學(xué)者對(duì)水泥攪拌樁加固地基進(jìn)行了研究，如張慶萍[6]、鄭英國[7]、郭濤[8]、劉灼華[9]等依托具體工程對(duì)堤防加固中水泥攪拌樁的布置方式、樁長等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，有效降低了工程造價(jià)。段繼偉等[10]通過現(xiàn)場足尺試驗(yàn)研究了水泥攪拌樁的荷載傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)樁頂荷載傳到樁端的比例小，樁體的受力與變形主要集中在臨界樁長深度范圍。曾友金等[11]采用極限承載力控制法得出了水泥攪拌樁有效樁長的計(jì)算公式，并分析了多個(gè)因素對(duì)水泥攪拌樁有效樁長的影響，發(fā)現(xiàn)除土層泊松比外，剛度系數(shù)、樁徑等因素均對(duì)有效樁長有一定或較大的影響。鄭剛等[12]結(jié)合模型試驗(yàn)和有限元方法研究了軟土層中水泥攪拌樁的荷載傳遞，認(rèn)為基礎(chǔ)、樁長和墊層對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的荷載傳遞有較大影響。鑒于水泥攪拌樁在軟基加固應(yīng)用中的重要性與廣泛性，對(duì)其仍有待進(jìn)一步的研究。

本文采用有限元方法對(duì)水泥攪拌樁加固堤防的可行性進(jìn)行了分析，并研究了樁長、樁徑以及樁體強(qiáng)度參數(shù)c、φ對(duì)堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，可為水泥攪拌樁加固堤防設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型與工況

1.1 計(jì)算模型

為了對(duì)水泥攪拌樁加固堤防影響因素進(jìn)行研究分析，本文采用基于極限平衡分析方法的巖土工程彈塑性有限元分析軟件Slide進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算過程中采用畢肖普法，樁和土均采用摩爾-庫倫彈塑性模型。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

如圖1所示，邊坡高5m，坡度為1：2，模型設(shè)置7排水泥攪拌樁，外江水位24m。邊坡為均質(zhì)土坡，容重γ=17kN/m3、c=10kN/m2、φ=8.5°；水泥攪拌樁容重 γ=19 kN/m3、c=125kN/m2、φ=25°。堤身土層滲透系數(shù)k=5×10-7m/s，考慮到實(shí)際堤防加固中水泥攪拌樁一般為散點(diǎn)布置，參考曹依雯[13]等人的研究結(jié)果，基樁基本不影響滲透系數(shù)大小的數(shù)量級(jí)，本文對(duì)增加水泥攪拌樁后堤身滲透系數(shù)進(jìn)行折減，取值1×10-7m/s。

1.2 計(jì)算工況

本文對(duì)不同樁徑與c、φ參數(shù)下六個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，每個(gè)工況均研究了不同樁長的影響，如表1所示。M1與M2兩組研究了樁徑的影響，M1、M3與M4三組研究了水泥攪拌樁粘聚力c的影響；M1、M5與M6三組研究了水泥攪拌樁內(nèi)摩擦角φ的影響。以上工況僅對(duì)水泥攪拌樁相關(guān)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

表1 計(jì)算工況與安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水泥攪拌樁加固堤防可行性分析

如表1所示，堤身在未加固狀態(tài)下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.969，經(jīng)過攪拌樁加固，安全系數(shù)大幅增加。以M1工況為例，增加5m長水泥攪拌樁加固措施，安全系數(shù)提高35.6%。圖2（a）與2（b）分別為無加固措施與樁長5m條件下邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果云圖，如圖所示，采用攪拌樁加固后，邊坡滑弧深度有所減小，滑弧上頂點(diǎn)向臨水側(cè)方向移動(dòng)，破壞模式調(diào)整為樁前土體失穩(wěn)。此外，如圖3所示，增加5m長水泥攪拌樁后，邊坡內(nèi)部剪應(yīng)力大幅減小，從而提高了安全系數(shù)。

圖2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及滑弧計(jì)算結(jié)果（以M1組模擬為例）

圖3 邊坡內(nèi)部剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

樁長達(dá)到10m及以上時(shí)，邊坡安全系數(shù)比無加固措施工況提高41.1%。由此可知，水泥攪拌樁可以實(shí)現(xiàn)提高堤防邊坡穩(wěn)定性的目的，具體工程設(shè)計(jì)可以通過調(diào)整水泥摻量、外加劑種類與摻量以及水泥強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)使安全系數(shù)達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。

2.2 影響因素分析

2.2.1 樁徑與樁長的影響

本文分析了直徑為0.5m與1.0m兩種樁徑下不同樁長的水泥攪拌樁對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，樁長從0m逐步增加到12m，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，安全系數(shù)隨著樁徑的增大，邊坡安全系數(shù)增大。當(dāng)樁長為5m時(shí)，安全系數(shù)隨著樁徑增大的增幅最大，為8.8%。隨著樁長的繼續(xù)增加，安全系數(shù)的增幅有所減小，直至樁長達(dá)到10m增幅不變。結(jié)合模型來看，邊坡高度正好為5m，由此可見，在邊坡高度范圍內(nèi)增加樁徑對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性的作用較大。根據(jù)該特性，在堤防加固過程中可考慮采用新型釘型水泥攪拌樁，在邊坡坡腳以上部分?jǐn)U大樁徑。

圖4 水泥攪拌樁樁徑與樁長對(duì)安全系數(shù)的影響

當(dāng)樁長小于10m時(shí)，不管樁徑為0.5m還是1.0m，邊坡安全系數(shù)均隨著樁長的增加而增大，但達(dá)到10m后繼續(xù)增加樁長不改變安全系數(shù)。此外，樁長超過10m后，滑弧位置以及深度不隨樁長變化而改變。由此可見，從邊坡抗滑穩(wěn)定角度來看，水泥攪拌樁存在一個(gè)“有效樁長”，超過這個(gè)值后，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不隨攪拌樁樁長的增加而增大。因此，在堤防加固設(shè)計(jì)中，攪拌樁長度不應(yīng)超過“有效樁長”，以免造成資金浪費(fèi)。

2.2.2 樁身強(qiáng)度的影響

水泥摻量、外加劑、地基含水率以及水泥強(qiáng)度等級(jí)等不同均會(huì)引起樁身強(qiáng)度的差異，而樁身強(qiáng)度的差異在摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則上主要體現(xiàn)在c、φ兩個(gè)參數(shù)的不同。為研究其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，本文分別對(duì)c、φ折減20%與50%后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖5（a）與5（b）所示。

圖5 水泥攪拌樁c、φ對(duì)安全系數(shù)的影響

由圖5（a）可知，當(dāng)樁長小于10m，c從125kN/m2減小到100kN/m2時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有所減小。但是當(dāng)樁長達(dá)到10m及以上時(shí)，安全系數(shù)相同。當(dāng)c繼續(xù)減小到62.5kN/m2時(shí)，在12m以內(nèi)的樁長范圍，邊坡安全系數(shù)均減小。此外，改變c值僅改變了安全系數(shù)峰值，不影響文中所述的“有效樁長”。由圖5（b）可知，當(dāng)樁長小于5m，邊坡安全系數(shù)隨著φ值減小而略有減小，但樁長在5m及以上時(shí)，三組φ值不同而安全系數(shù)相同?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?nèi)，φ主要在邊坡高度范圍對(duì)安全系數(shù)產(chǎn)生影響，并且改變內(nèi)摩擦角不影響“有效樁長”。

3 結(jié)論

水泥攪拌樁是一種具有良好加固效果的軟弱地基處理方法，在水利工程中應(yīng)用廣泛。本文采用有限元方法對(duì)水泥攪拌樁加固堤防的可行性進(jìn)行了分析，并研究了樁長、樁徑以及樁體強(qiáng)度參數(shù)c、φ的影響，主要結(jié)論如下：

（1）增加水泥攪拌樁加固措施可有效提高堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，減小滑弧深度以及滑動(dòng)范圍。

（2）堤身安全系數(shù)隨著水泥攪拌樁樁徑與樁長的增大而增大，在抗滑穩(wěn)定的角度上，水泥攪拌樁存在一個(gè)“有效樁長”，超過該長度后，繼續(xù)增大樁長不改變堤身安全系數(shù)。

（3）在一定范圍內(nèi)，隨著水泥攪拌樁c、φ的減小，堤身安全系數(shù)減小，但其影響受樁長的限制。c、φ的改變不影響“有效樁長”。