寧 博 王龍華 張學(xué)喜

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程背景

1.1 同馬大堤巨網(wǎng)段概況

同馬大堤位于長江中下游左岸安慶市境內(nèi)，上起湖北省黃廣大堤末端段窯，下抵懷寧縣官壩頭，全長173.525km，為2 級堤防，其中皖河段堤長35.525km。同馬大堤巨網(wǎng)段樁號138+250～144+900，全長6.65km，為同馬大堤著名的軟基段，位于皖河入江口，系穿湖筑堤壩，堤基為軟弱的河湖沉積層。近年來該堤段最主要的險(xiǎn)情是堤坡出現(xiàn)塌陷、開裂的情況，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間較長、分布范圍較廣、破壞較為嚴(yán)重且多見于迎水坡。相關(guān)研究判斷，堤坡沉陷、下挫、堤肩開裂等險(xiǎn)情主要是由于堤基軟弱層不均勻沉降，且主要由蠕變沉降引起。

1.2 軟基處理方案設(shè)計(jì)

本次巨網(wǎng)段堤防除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)在軟基處理方面，采用水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基加固方案。處理范圍為全堤段迎水坡和平臺部位的下臥軟土層，部分坡段背水坡坡腳附近的下臥軟土層；樁底設(shè)計(jì)高程3.0m，且深入②層中粉質(zhì)壤土與砂壤土互層不小于1m。坡面樁體采用梅花型布樁，樁徑600mm，樁間距1400mm。迎水坡格構(gòu)式樁墻，樁徑600mm，樁與樁的搭接長度150mm，樁墻間距2.7m，堤身軸線方向樁墻間距5.4m。內(nèi)、外坡坡腳限位樁墻，樁徑600mm，樁與樁的搭接長度150mm。

結(jié)合最新的勘察資料，依據(jù)巨網(wǎng)段堤防各段地質(zhì)條件、險(xiǎn)情性質(zhì)、險(xiǎn)情發(fā)生部位與危害程度，同時(shí)結(jié)合歷次變形觀測成果，對巨網(wǎng)段6.65km 堤防分段提出了三種不同的加固措施。措施一：外坡腳以上8 排梅花型布樁，內(nèi)坡長130～150m 范圍坡腳以上6 排樁，內(nèi)外坡腳均設(shè)一排限位樁墻；措施二：外坡腳以上12 排梅花型布樁，內(nèi)坡長120m 范圍坡腳以上6 排樁，內(nèi)坡腳設(shè)一排限位樁墻，外坡腳設(shè)格構(gòu)式排樁墻；措施三：外坡腳以上6 或8 排梅花型布樁，外坡腳設(shè)一排限位樁墻加固。巨網(wǎng)段堤防各段加固措施詳見表1。

表1 巨網(wǎng)段堤防各段加固措施表

2 固結(jié)沉降有限元分析

2.1 計(jì)算方案

計(jì)算根據(jù)分段提出的不同加固措施選取五個(gè)計(jì)算斷面（138+500 樁號、141+310 樁號、142+405 樁號、143+050 樁號、144+079 樁號），分別建立了反映1995年堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面形成后至2035年這一時(shí)間段的固結(jié)沉降數(shù)值模型。為了比較堤基采取加固措施后的效果，每個(gè)計(jì)算斷面設(shè)置兩個(gè)分析工況，第一個(gè)工況模擬堤防在1996—2035年一直處于自然固結(jié)狀態(tài)的過程，即2021年未采取加固措施；第二個(gè)工況模擬堤防從1996—2020年自然固結(jié)25年后，歷經(jīng)2021年的加固施工，自2022年又靜置14年直至2035年的固結(jié)過程。

2.2 計(jì)算方法

計(jì)算采用GTS NX 中的固結(jié)分析模塊，地基軟土采用軟土蠕變本構(gòu)模型，以此分析堤防軟土地基的固結(jié)沉降過程。軟土蠕變模型適用于表示隨著時(shí)間變化的粘土結(jié)構(gòu)骨架蠕變行為；總應(yīng)變率等于彈性應(yīng)變與蠕變應(yīng)變之和，蠕變應(yīng)變是有時(shí)間依存特性的粘塑性應(yīng)變。

2.3 數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模型包括堤身填土、地基軟土以及砂層、回填土、水泥攪拌樁、咬合樁結(jié)構(gòu)等，在模擬中做了適當(dāng)?shù)暮喕?，以保留主體結(jié)構(gòu)來反映堤防軟土地基的固結(jié)沉降。數(shù)值模型構(gòu)建基于如下假設(shè)條件： （1）將結(jié)構(gòu)、各區(qū)域土層近似視為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的介質(zhì)；（2）咬合樁形成的側(cè)向圍封等效為排樁結(jié)構(gòu)，屬于線彈性材料，采用線彈性模型計(jì)算；水泥攪拌樁群樁和樁間土層形成復(fù)合地基，加固后的復(fù)合地基區(qū)域選用莫爾-庫倫模型；（3）地基軟土選用軟土蠕變模型，地基砂層、堤身填土、回填土選用莫爾-庫倫模型；（4）在排樁結(jié)構(gòu)和土體之間不設(shè)置接觸單元。

模型各區(qū)域中的土層均采用以四邊形網(wǎng)格為主輔以三角形網(wǎng)格的2D 平面應(yīng)變單元模擬，排樁結(jié)構(gòu)采用間距極小的1D 梁單元模擬。

對分析工況一，固結(jié)過程模擬設(shè)置時(shí)間達(dá)40年的時(shí)間步來控制；對分析工況二，固結(jié)過程模擬設(shè)置五步：（1）堤防自1995年固結(jié)至2020年；（2）一期開挖+加固施工；（3）二期開挖；（4）堤身回填；（5）堤防自2022年固結(jié)至2035年。

模型中施加的邊界條件主要有：（1）側(cè)向邊界、底邊界位移約束；（2）墻身的轉(zhuǎn)動(dòng)約束與墻底位移約束；（3）軟土與砂層間的排水邊界；（4）堤身非固結(jié)邊界；（5）水位線，一般設(shè)置在堤身與堤基接觸面高程。施加的荷載為重力荷載。

其中，根據(jù)2010年護(hù)坡沉陷觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對各計(jì)算斷面軟土層的OCR、λ、κ 進(jìn)行了初步率定；加固區(qū)域的土體強(qiáng)度視為攪拌樁復(fù)合地基的等效強(qiáng)度指標(biāo)由計(jì)算獲得。數(shù)值模型主要參數(shù)表略。

3 結(jié)果與分析

3.1 堤基自然固結(jié)預(yù)測結(jié)果

選取各計(jì)算斷面堤防外側(cè)邊坡中心位置，分別繪出其未加固時(shí)的沉降曲線，如圖1 所示。以141+310 斷面為例，2035年未加固時(shí)的側(cè)向位移TX的云圖見圖2，豎向位移TY 的云圖見圖3。

圖1 堤防外側(cè)邊坡中心位置沉降曲線圖（未加固）

圖2 141+310 斷面2035年側(cè)向位移TX 圖（未加固）

圖3 141+310 斷面2035年豎向位移TY 圖（未加固）

3.2 堤基加固后預(yù)測結(jié)果

同樣選取各計(jì)算斷面堤防外側(cè)邊坡中心位置，分別繪出其加固后的沉降曲線，如圖4 所示。以141+310 斷面為例，2035年加固后的側(cè)向位移TX的云圖見圖5，豎向位移TY 的云圖見圖6。

圖4 堤防外側(cè)邊坡中心位置沉降曲線圖（加固后）

圖5 141+310 斷面2035年側(cè)向位移TX 圖（加固后）

圖6 141+310 斷面2035年豎向位移TY 圖（加固后）

3.3 加固效果

比較未加固與加固后兩種工況下的計(jì)算結(jié)果，堤防2022—2035年側(cè)向位移最大值及沉降最大值的增加值見表2。

表2 堤防2022—2035年側(cè)向位移及沉降最大值的增加值表

3.4 成果分析

建立的數(shù)值模型較合理地模擬了1995年堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面形成后40年間同馬大堤巨網(wǎng)段軟土地基的固結(jié)沉降過程。其中，圖1 較好地反映了同馬大堤巨網(wǎng)段堤基軟土的流變特性，各計(jì)算斷面曲線基本可分為四個(gè)階段：1995—1996年為瞬時(shí)變形階段；1996—1998年為非穩(wěn)定或過渡階段，變形速率由大逐漸減小，且歷時(shí)很短；1999—2025年為穩(wěn)定階段，其變形速率保持為常量，且歷時(shí)很長；2026—2035年為漸變階段，其變形速率逐漸增大，圖中顯示該段歷時(shí)不短，故應(yīng)力水平應(yīng)該不大。圖4 反映出加固施工對軟基固結(jié)過程的影響，即施工完成當(dāng)年會(huì)產(chǎn)生一定的瞬時(shí)沉降。

圖1 與圖4 均表明，對于任意選取的堤防外側(cè)坡中心位置，141+310 斷面的絕對沉降值最大，144+079 斷面的絕對沉降值最小，另外三個(gè)斷面的絕對沉降值居中。以加固后工況為例，141+310 斷面的絕對沉降值為457.2mm，144+079 斷面的絕對沉降值為164.1mm，另外三個(gè)斷面的絕對沉降值為233.5～314.1mm，這反映了堤防不同樁號范圍險(xiǎn)情程度是不同的，相應(yīng)地也應(yīng)采取程度不同的加固措施。因此，本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)針對不同樁號范圍的險(xiǎn)情采取三種加固措施是合理的。

表3 結(jié)果顯示，2021年堤防采取加固措施后，相比較未采取加固措施的情況，側(cè)向位移最大值和沉降最大值的增加值大幅度降低。以141+310斷面為例，沉降最大值的增加值由117.8mm 降至13.2mm，降低了88.8%；堤內(nèi)側(cè)側(cè)向位移最大值的增加值由53.3mm 降至4.8mm，降低了91.0%；堤外側(cè)側(cè)向位移最大值的增加值由50.8mm 降至2.2mm，降低了95.7%。因此，堤防軟基處理設(shè)計(jì)方案效果顯著。

4 結(jié)語

建立的數(shù)值模型較合理地模擬了1995年堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面形成后40年間堤防軟土地基的固結(jié)沉降過程；各計(jì)算斷面絕對沉降值的差異說明本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)針對不同樁號范圍的險(xiǎn)情采取三種加固措施是合理的；兩種工況下堤防變形最大值的增加值差異明顯，表明堤防軟基處理設(shè)計(jì)方案效果顯著。相關(guān)軟土參數(shù)的準(zhǔn)確取值方面需進(jìn)一步研究