吳達(dá)烽

(博羅縣水務(wù)科學(xué)研究所，廣東 博羅 516100)

廣東屬于沿海地區(qū)，河流眾多，需要修建許多穿堤、穿壩建筑物以滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐姆篮椤⑴艥澈凸喔刃枰?，而這些穿堤、穿壩建筑很多都修建在軟土地區(qū)，很容易發(fā)生不均勻沉陷、結(jié)構(gòu)裂縫和滑移破壞，導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞[1- 3]。涵管是最常見(jiàn)的壩下建筑物之一，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)等原因，許多壩下建筑物都面臨著加固改造，在實(shí)際施工過(guò)程中，由于施工速度過(guò)快或者降雨等原因，導(dǎo)致回填土抗剪強(qiáng)度不足，陸續(xù)出現(xiàn)多起壩下涵管傾倒、不均勻沉降、滑坡等質(zhì)量問(wèn)題，影響了整個(gè)堤壩的安全性，特別是高回填土方壩下涵管結(jié)構(gòu)的受力變形更加復(fù)雜，一旦發(fā)生工程事故，將帶來(lái)極大的人員財(cái)產(chǎn)損失[4- 6]。因此，有必要對(duì)高填方壩下涵管結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析，以期能為工程設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 工程概況

某水閘堤壩始建于20世紀(jì)70年代，高程為42.45m，長(zhǎng)度為74.6m，底板高程為29.42m，口徑為孔×高×寬=1×1.5m×1.5m，壩基土主要以淤泥、淤泥質(zhì)土以及砂土等軟土為主。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，水閘出現(xiàn)了不同程度的不均勻沉降、裂縫和滑移，影響到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，故需要對(duì)其進(jìn)行加固改造。加固改造后的壩頂高程和底板高程不變，長(zhǎng)度增加至77m，口徑變?yōu)榭住粮摺翆?1×1.4m×1.8m，壩下涵管及兩側(cè)八字墻均采用C20混凝土澆筑，待養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，開(kāi)始在涵身上回填土，土方回填高程達(dá)到38.4m，很容易造成涵管及八字墻出現(xiàn)滑移險(xiǎn)情，故需要在施工前對(duì)涵管結(jié)構(gòu)的受力變形進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型

采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件建立壩下涵管及八字墻模型[7- 8]，如圖1所示。模型的幾何長(zhǎng)度為174m(河岸涵管一側(cè)分別向西和向東延伸50m)，寬度為102.1m(涵管開(kāi)挖線(xiàn)兩側(cè)延伸30m)，深度為70m(涵管以下30m，涵管以上40m)。涵管八字墻均采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型，土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型共包含286162個(gè)單元和157840個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型在垂直邊界上施加水平方向的約束，在水平底部的邊界上施加垂直方向的約束。涵管C20的參數(shù)取值為：泊松比0.17，重度23.7kN/m3，黏聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為57°，變形模量為22500MPa。

圖1 ABAQUS幾何模型

2.2 模擬方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)資料和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，獲得了工程現(xiàn)場(chǎng)回填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化關(guān)系，為了模擬回填過(guò)程中因降雨或者施工時(shí)壓實(shí)度不足所導(dǎo)致回填土可能出現(xiàn)的含水率情況，選取四種含水率對(duì)應(yīng)的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行模擬分析，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算方案參數(shù)

2.3 計(jì)算過(guò)程

為了最大限制與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回填施工過(guò)程相吻合，將涵管加固改造工程劃分為7個(gè)步驟：第1步，朝天口開(kāi)挖并將原涵管結(jié)構(gòu)拆除；第2步，焊管基礎(chǔ)粉噴樁施工；第3步，涵管基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑；第4步，進(jìn)行新涵管C20混凝土澆筑；第5步，按照設(shè)計(jì)要求將土方回填至涵管頂面；第6步，進(jìn)出口八字墻混凝土澆筑；第7步，將土方分層回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高38.4m。

3 結(jié)果分析

3.1 受力分析

不同土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)下的主應(yīng)力極值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可知：在方案一、二、三、四情況下，涵管的第一主壓力分別為-5.66、-5.31、-6.49、-4.94MPa，方案三的最大主壓力最大，其次為方案一，最小的為方案四，涵管的第一主拉力分別為2.81、2.89、2.6、0.16MPa；回填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)改變，對(duì)涵管第一主壓力的影響小于對(duì)主拉力的影響，隨著抗剪強(qiáng)度參數(shù)的減小，第一主拉力最大值值逐漸減小，且當(dāng)黏聚力10kPa、內(nèi)摩擦角為6°(方案四)時(shí)，第一主拉力將大幅度降低；八字墻在方案一、二、三、四情況下，第一主壓力分別為-5.36、-0.02、-0.21、-0.2MPa，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低方案二以后，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)八字墻第一主壓力的影響將減小，最大第一主拉力分別為14.1、10.3、11.4、10.7MPa，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)將至方案二以后，第一主拉力的變化將變??；回填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)八字墻第一主壓力的影響大于第一主拉力。

圖2 涵管、八字墻最大主應(yīng)力模擬結(jié)果

3.2 變形分析

不同土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)下的涵管、八字墻變形模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知：不同方案下涵管的豎向位移均大于八字墻的豎向位移，在方案一、二、三、四情況下，八字墻的豎向位移分別為-132.5、-130、-135.8、-131.8mm，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)八字墻豎向位移的影響較小，在方案一、二、三、四情況下，涵管的豎向位移分別為-180、-197、-183、-177.4mm，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降至方案二時(shí)，涵管的豎向位移最大；不同方案下涵管的水平位移略大于八字墻的豎向位移，且兩者的水平位移方向相反，在方案一、二、三、四情況下，八字墻的水平位移分別為-8、-7.5、-8.3、-7.7mm，回填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化對(duì)八字墻水平位移的影響較小，在方案一、二、三、四情況下，涵管的水平位移分別為15、14.7、15.3、10.9mm，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降至方案三時(shí)，涵管的水平位移最大。

圖3 涵管、八字墻最大位移模擬結(jié)果

3.3 塑性區(qū)體積

不同土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)下回填土塑性區(qū)體積變化情況如圖4所示。從圖4中可知：在方案一下，塑性區(qū)體積為34.1m3，塑性區(qū)主要集中于第7節(jié)涵管上方，伸縮縫在涵管下沉和土體水平推力作用下產(chǎn)生張拉破壞；在方案二下，塑性區(qū)體積為40.1m3，塑性區(qū)體積較方案一增大17%，塑性區(qū)主要集中在第4、5節(jié)涵管和第7、8節(jié)涵管，在第4、5節(jié)涵管處發(fā)生剪切破壞，在第7、8節(jié)涵管處發(fā)生張拉破壞；在方案三下，塑性區(qū)體積為49.91m3，相較于方案一進(jìn)一步增加，增大幅度為43%，在方案三下，土體塑性區(qū)由內(nèi)部逐漸向邊坡表面擴(kuò)展，導(dǎo)致張拉破壞發(fā)生，這說(shuō)明回填土抗剪強(qiáng)度降低會(huì)增大土體塑性區(qū)，土體剪切破壞和張拉破壞的體積增大，壩體穩(wěn)定性明顯降低；在方案四下，塑性區(qū)體積相比方案三有所減小，僅為44.15m3，這說(shuō)明單純的減小回填土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，不會(huì)使塑性破壞區(qū)體積一直增大，當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低至某一值后，塑性破壞區(qū)的體積反而會(huì)減小，這主要是因?yàn)楹茉谑盏交靥钔吝吰禄期厔?shì)的影響下，涵管所受的水平方向推力將逐漸增大，會(huì)平衡掉一部分因沉降而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，而且回填土?xí)a(chǎn)生一定的水平方向滑動(dòng)，導(dǎo)致涵管中段所受的土體荷載(土壓力)減小，故而張拉破壞區(qū)域體積也會(huì)隨之減小。

圖4 不同方案下塑性破壞區(qū)體積

3.4 抗滑穩(wěn)定性

不同方案下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比如圖5所示。從圖5中可知：當(dāng)黏聚力20kPa、內(nèi)摩擦角為16°時(shí)，涵管和八字墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.99，抗滑穩(wěn)定性良好，此時(shí)涵管及八字墻主要受主動(dòng)土壓力的影響；當(dāng)黏聚力16kPa、內(nèi)摩擦角為12°時(shí)，涵管和八字墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降至2.134，安全系數(shù)降幅達(dá)到46.5%，這是因?yàn)橛捎谕馏w抗剪切強(qiáng)度參數(shù)降低會(huì)導(dǎo)致下滑推力，下滑推力會(huì)增大涵管及八字墻發(fā)生水平向滑移的概率；當(dāng)黏聚力12kPa、內(nèi)摩擦角為7°時(shí)，涵管和八字墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.768，抗滑穩(wěn)定性較差，因抗剪強(qiáng)度參數(shù)下降產(chǎn)生的下滑力進(jìn)一步增加，雖然不足以完全克服阻力使整體發(fā)生滑移破壞，但破壞概率進(jìn)一步增大；當(dāng)粘聚力10kPa、內(nèi)摩擦角為6°時(shí)，涵管和八字墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.917，安全系數(shù)低于1，表明涵管及八字墻極可能發(fā)生滑移破壞。

圖5 不同方案下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)涵管豎向位移和水平位移的影響大于八字墻，但并不是抗剪強(qiáng)度參數(shù)越低，變形越大，八字墻在方案三時(shí)，豎向位移和水平位移最大，涵管在方案二時(shí)豎向位移最大，在方案三時(shí)水平位移最大。

(2)塑性區(qū)體積隨抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)在方案三時(shí)，塑性破壞區(qū)體積最大。

(3)當(dāng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)降至方案三時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)將低于2，施工過(guò)程中需要控制土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)不能低于方案二。

(4)土體具有一定的流變性，在實(shí)際填筑過(guò)程中應(yīng)該考慮時(shí)間效應(yīng)的影響，才更能反應(yīng)實(shí)際情況，這將在今后做進(jìn)一步補(bǔ)充研究。