雷剛

（贛州市天鷹水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000）

1 工程概況

贛州市某水利水電工程采用斜坡式堤身，防浪墻墻頂和堤頂高程分別為116.84 m和116.12 m，堤頂設(shè)計(jì)寬度5.60 m。堤防等級(jí)為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。該處堤防雖然經(jīng)受住了2020年夏季洪水的考驗(yàn)，但是在洪水浸泡及反復(fù)沖刷下，堤頂和迎水側(cè)出現(xiàn)明顯裂縫，部分地段甚至出現(xiàn)滑坡?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，縱向裂縫深度在1.40～2.50 m 之間，寬度在25～85 mm之間。進(jìn)一步勘察結(jié)果顯示，在該斜坡式堤防修建時(shí)未徹底清理地基，堤防下部粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土厚度大，含水量高，可壓縮性強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度低。如果將病害堤身段全部挖除并換填，則勢(shì)必影響水利水電工程順利運(yùn)行，故決定采用水泥攪拌樁對(duì)堤身展開(kāi)加固處理，提升堤防結(jié)構(gòu)承載力。

2 模型構(gòu)建

為分析該水利堤防水泥攪拌樁加固效果，采用Slide 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模型具體見(jiàn)圖1。采用Bishop法進(jìn)行計(jì)算，樁和土采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型。在所構(gòu)建的模型中邊坡高5m，坡度1∶2，總共設(shè)置7排水泥攪拌樁；土質(zhì)邊坡容重16.80 kN/m3，壓強(qiáng)10 kN/m2，內(nèi)摩擦角8.50°；水泥攪拌樁容重18.7 kN/m3，壓強(qiáng)125 kN/m2，內(nèi)摩擦角25°。堤身土體滲透系數(shù)5×10-7m/s，因該水利工程堤防加固水泥攪拌樁通常采用散點(diǎn)布置形式，故對(duì)采取水泥攪拌樁加固后的堤身滲透系數(shù)進(jìn)行折減處理，按照1×10-7m/s取值。

針對(duì)水泥攪拌樁不同樁徑、壓強(qiáng)及內(nèi)摩擦角，提出以下工況（見(jiàn)表1），以探究樁長(zhǎng)、樁徑、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)對(duì)堤防加固施工效果的影響，考慮到堤防加固以控制位移變形，確保堤壩穩(wěn)定為主要目的，故在模擬過(guò)程中，以堤頂沉降位移和水平位移為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。H1 和H2 工況主要分析的是樁徑對(duì)堤頂沉降、水平位移及安全程度的影響，H1、H3、H4 則分析的是水泥攪拌樁黏聚力對(duì)堤頂沉降、水平位移及安全系數(shù)的影響；H1、H5、H6研究的是水泥攪拌樁內(nèi)摩擦角的影響程度。

表1 堤防加固數(shù)值模擬計(jì)算工況表

3 結(jié)果分析

3.1 加固方案的適用性

根據(jù)表1 中分析結(jié)果，在未設(shè)置水泥攪拌樁的情況下，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.97，采取水泥攪拌樁加固措施后安全系數(shù)取值明顯增大。其中H1工況下，水泥攪拌加固深度從0 m依次增大至14 m、16 m、18 m、20 m、22 m，則安全系數(shù)依次提升44.65%、31.17%、18.41%、11.62%和11.62%。通過(guò)對(duì)水泥攪拌樁加固后堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果云圖的分析看出，加固措施采取后邊坡滑弧深度呈減小趨勢(shì)，樁前土體失穩(wěn)是主要破壞模式，堤防邊坡穩(wěn)定性可大大提升。

3.2 加固深度的影響

為簡(jiǎn)化分析，可以將水泥攪拌樁加固深度和樁長(zhǎng)視為同一參數(shù)。不同加固深度下堤身水平位移和沉降位移變化量相對(duì)值具體見(jiàn)圖2。由圖中結(jié)果可以看出，加固后的堤防水平位移及沉降位移相對(duì)變化量曲線雖呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增速逐漸減緩，說(shuō)明水平和沉降位移均隨樁長(zhǎng)增大而減小。當(dāng)樁長(zhǎng)從14 m增大至16 m，沉降位移和水平位移依次降低15.60%和24.10%；當(dāng)樁長(zhǎng)從14 m增大至18 m，沉降位移和水平位移依次降低27.20%和30.70%；此后隨著樁長(zhǎng)的增大，降低幅度依次減小。出于經(jīng)濟(jì)性和工程性能的綜合考慮，該堤防加固工程應(yīng)將樁長(zhǎng)確定為18 m。

圖2 加固深度對(duì)相對(duì)位移變化量的影響圖

這一結(jié)論與表1 中所模擬的水泥抗滑樁設(shè)計(jì)加固深度與堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系一致，即隨著樁體加固深度的增大堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的增長(zhǎng)幅度持續(xù)降低。結(jié)合模型，該水利水電工程堤防邊坡設(shè)計(jì)高度為5 m，故在邊坡高度范圍內(nèi)增大樁徑能顯著提升邊坡穩(wěn)定性?；诖私嵌瘸霭l(fā)，可在該堤防邊坡加固過(guò)程中使用釘型水泥攪拌樁，并增大邊坡坡腳以上部分的樁徑。在樁長(zhǎng)16 m 以?xún)?nèi)，無(wú)論樁徑取0.50 m 還是1 m，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均隨樁長(zhǎng)的增大而大幅增加。當(dāng)樁長(zhǎng)超出16 m 后，滑弧位置和滑弧深度均不再隨樁長(zhǎng)的改變而改變，說(shuō)明出于堤防邊坡抗滑穩(wěn)定的角度，水泥攪拌樁存在有效樁長(zhǎng)，一旦超出此值，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的增大不增反降。

3.3 樁身強(qiáng)度影響

樁身強(qiáng)度主要因水泥摻量、水泥強(qiáng)度等級(jí)、地基含水率、外摻劑等不同而存在差異，這種差異在Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則上主要表現(xiàn)為壓強(qiáng)和內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)取值上。為進(jìn)行樁身強(qiáng)度對(duì)堤防邊坡穩(wěn)定影響程度的分析，將壓強(qiáng)和內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)分別折減20%和50%，并進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)樁長(zhǎng)不足16 m時(shí)，水泥攪拌樁壓強(qiáng)將從125 kN/m2降低至100 kN/m2，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小幅降低；而當(dāng)樁長(zhǎng)超出16 m后，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不再變化；當(dāng)水泥攪拌樁壓強(qiáng)繼續(xù)下降至65.50 kN/m2時(shí)，在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，安全系數(shù)繼續(xù)呈減小趨勢(shì)。表明，堤防邊坡壓強(qiáng)的變化僅影響安全系數(shù)，不影響有效樁長(zhǎng)。

當(dāng)樁長(zhǎng)不足16 m時(shí)，堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨水泥攪拌樁內(nèi)摩擦角的減小而呈減小趨勢(shì)，而樁長(zhǎng)超出16 m后，不同內(nèi)摩擦角下堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取值相同。表明，內(nèi)摩擦角的改變主要在邊坡高度范圍內(nèi)影響安全系數(shù)，而對(duì)有效樁長(zhǎng)并無(wú)影響。

3.4 樁間距的影響

根據(jù)對(duì)不同樁間距下堤頂沉降位移和水平位移加固效果模擬結(jié)果（圖3）的分析，隨著樁間距從0.80 m增大至1.40 m，堤頂沉降位移和水平位移增大幅度較小，且樁間距越小，位移絕對(duì)值也越小；而當(dāng)樁間距從1.40 m 增大至1.60 m，則沉降位移和水平位移快速增大。模擬結(jié)果說(shuō)明，水泥攪拌樁樁間距的減小能提升堤防結(jié)構(gòu)整體性和加固效果，但是此時(shí)造價(jià)和施工成本也隨之增大。綜合考慮施工成本和加固效果，將水泥攪拌樁樁間距設(shè)置為1.40 m。

圖3 樁間距對(duì)相對(duì)位移變化量的影響圖

3.5 樁排數(shù)的影響

不同樁排數(shù)下堤頂沉降和水平位移相對(duì)變化量取值見(jiàn)圖4，右圖可知，在樁排數(shù)為4 排時(shí)，堤頂沉降位移和水平位移增幅最大，此后隨著樁排數(shù)的增加，沉降位移和水平位移增幅均呈降低趨勢(shì)，到樁排數(shù)為7 排時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定；且堤頂沉降位移增大幅度比水平位移大。分析結(jié)果也說(shuō)明，水泥攪拌樁排數(shù)的增多能使堤防整體性提升，達(dá)到控制位移變形的目的。水泥攪拌樁樁排數(shù)從4排增大至8排時(shí)，沉降變形和位移變形整體降低幅度僅為7%，這說(shuō)明樁排數(shù)的增多對(duì)沉降位移和水平位移的控制作用相當(dāng)有限。樁排數(shù)從4排增加至6排時(shí)沉降位移和水平位移降低幅度最大，分別為34.90%和28.10%。為保證加固效果和工程經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將樁排數(shù)確定為6排。

圖4 排數(shù)對(duì)相對(duì)位移變化量的影響圖

4 結(jié)論

綜上所述，水泥攪拌樁不失為加固效果良好的水利水電堤防軟弱地基處理技術(shù)，該技術(shù)能有效提升贛州市某水利水電工程斜坡式堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，縮小滑動(dòng)范圍和滑弧深度。充分考慮水泥攪拌樁樁長(zhǎng)、樁間距、樁身強(qiáng)度、樁排數(shù)等對(duì)堤頂沉降位移、水平位移及加固效果所存在的影響，經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)將該工程堤頂水泥攪拌樁有效樁長(zhǎng)確定為16 m，最佳樁間距確定為1.40 m，樁排數(shù)確定為6排；水泥攪拌樁壓強(qiáng)和內(nèi)摩擦角對(duì)堤身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響受到樁長(zhǎng)限制，且其改變對(duì)有效樁長(zhǎng)影響不大。按照此研究所提出的方案進(jìn)行贛州市某水利水電工程斜坡式堤身水泥攪拌樁加固后，堤防整體性和穩(wěn)定性均明顯提升。