有限元软件在河道整治工程中的应用

张 旭

（深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳518003)）

针对河道整治工程中遇到的水泥土搅拌桩复合地基上建造重力式挡土墙的情况，采用有限元软件midas GTS NX 进行整体的二维数值模拟，分析在土压力作用下复合地基及挡土墙整体的受力变形，为工程方案设计和优化提供依据。

1 工程概况

1.1 设 计

研究的河道整治工程位于深圳市宝安区福永街道坳颈涌。拟整治河道的长度约500 m，河道宽度约18 m，河道设计采用防洪（潮）标准为50年一遇，设计洪峰流量为95.12 m3/s。河道堤岸采用重力式挡土墙结构，挡土墙的高度为4 m，挡墙上部结构为C20 素混凝土，挡墙下部底板为C25 钢筋混凝土结构，底板厚度为300 mm。地基处理采用水泥土搅拌桩，桩径为φ550,搅拌桩平面尺寸按1.45 m×1.5 m 布置，桩底标高以伸入砾质粘性土层3 m 控制，桩底标高超出最危险滑动面大于2 m，桩长度为7～9 m 不等。搅拌桩采用425 号普通硅酸盐水泥，水灰比0.4，施工工艺为3 喷6 搅，水泥土搅拌桩28 天抽芯检测设计强度不小于1.0 MPa。开挖基坑下部采用拉森Ⅱ钢板桩支护，上部基坑放坡处理，基坑的稳定性已经通过理正基坑支护计算软件验算合格。

1.2 工程地质条件

根据地勘钻探揭露，场地地层情况自上而下分别为：素填土、第四系海淤积层（岩性为淤泥）及残积砂质粘性土。场地存在不良的地层主要为淤泥层，呈流～软塑状，属于低强度、高压缩性土层，其承载力低，容易产生压缩变形，厚度介于4.40～6.70 m，地勘报告给出的淤泥层天然地基承载力参考建议值只有30 kPa。该区地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.10 g，地震动反应谱特征周期0.35 s。

2 结构数值模拟

2.1 计算软件

midas GTS NX(New experience of Geo-technical analysis System)是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，支持静力分析、动力分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、岩土等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库，可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模。另外，GTS NX 独特的Multi-Frontal 求解器能为我们提供最快的运算速度，这也是最强大的功能之一。在后处理中，能以图表形式自动输出简洁实用的计算书。GTS NX 已经通过了QA/QC 质量管理体系认证，能确保计算结果的精度和质量[1，2]。

2.2 计算模型及相关参数的确定

由于挡土墙及复合地基只在平面内有应变（垂直水流方向），与河道垂直方向的应变可忽略，故模型为平面应变问题，采用二维模型进行计算。优化的计算模型宽度为30 m，高度15 m。模型共划分470 个单元。模型中土体采用的摩尔-库伦本构模型，土层、挡土墙、挡土墙底板均采用平面应变单元，水泥土搅拌桩采用一维线单元。模型的所有边界条件均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面Y 方向位移约束，左右边界X方向位移约束。根据地质勘察报告、相关规范及专业书籍[3,4]，土层及结构材料的物理力学参数如表1所示。其中，土体的弹性模量一般取2～4 倍的土体压缩量得到，本模型计算中取为3 倍。模型荷载方面主要考虑土体及结构的自重，挡土墙后填土顶面按临时堆载10 kPa 考虑。

表1 土层及结构材料的基本物理力学参数

3 计算结果分析

文中主要研究复合地基在上部荷载作用下的结构变形和受力情况，结果主要是整体结构的变形云图、复合地基桩间土及水泥土搅拌桩的应力云图。

3.1 模型整体变形情况

通过计算，得出了模型整体的水平位移（X 方向）及竖向位移（Y 方向），见图1和图2所示。

由图1和图2的计算结果分析可以得出：挡土墙及复合地基产生了一定程度的水平位移，最大的位移发生在淤泥层范围，最大水平位移为2.26 cm，挡墙顶的水平位移为1.58 cm，基本满足规范要求。墙顶处位移小于墙趾处位移，位移差约0.7 cm，挡土墙的倾斜率约0.15%，倾斜程度非常小可以忽略不计。同时，挡土墙及复合地基也产生了一定程度的竖直位移，变形比较大的范围也主要集中在淤泥层，复合地基的沉降量约2.96 cm，根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）[4]中的条文要求，在保证挡土墙安全和正常使用的情况下，土质地基上的挡土墙最大沉降量不宜超过15 cm，故复合地基的沉降量也是满足要求的。模型中挡土墙后一定范围的填土产生约8 cm 左右的沉降，但考虑到实际情况这部分填土并未开挖，固结沉降已经完成且周围没有现有建筑物，所以这部分沉降可以不用考虑。

3.2 复合地基受力情况

通过计算，得出了水泥土搅拌桩受力及复合地基的应力情况，见图3和图4所示。

图1 水平位移云图

图2 竖直位移云图

图3 水泥搅拌桩轴力

图4 复合地基应力云图

由图3和图4计算结果分析可以得出：并排设置的4 根水泥土搅拌桩并非均匀的受载，墙踵下的搅拌桩受力稍大约为147 kN，墙趾下搅拌桩受力约为58 kN，并且搅拌桩上部轴力明显要大于下部轴力。复合地基粗砂褥垫层处桩和桩间土分担受力情况明显，最大应力位置为墙踵下搅拌桩桩头，应力值达到385 kPa，较小处位于墙趾下搅拌桩桩头，应力值为56 kPa，由工程类比可知水泥土搅拌桩强度可以达到0.8 MPa 以上，故搅拌桩可以满足规范要求。桩间应力呈现出两侧桩间应力大于中间桩间应力情况，最大压应力为28 kPa，根据地勘报告给出的桩间土地基承载力参考建议值为30 kPa，故可以满足要求。考虑到挡墙后一部分原有填土已经沉降固结，上述结果均是偏于保守的。

4 结 语

河道整治工程中遇到的水泥土搅拌桩复合地基上建造重力式挡土墙的情况，采用有限元软件midas GTS NX 进行整体的二维数值模拟，分析在土压力作用下复合地基及挡土墙结构整体的受力变形，结果表明：结构不但发生了竖直位移也发生了水平位移，但都在规范允许的范围内，搅拌桩及桩间土应力也均在规范允许的范围内。

［1］ 王瑁成. 有限单元法. 北京: 清华大学出版社,2004.

［2］ Midas GTS NX Analysis Reference［R］. 北京：北京迈达斯技术有限公司,2013.

［3］ SL191-2008 水工混凝土结构设计规范［S］.中华人民共和国水利部，2008.

［4］ 陈希哲. 土力学地基基础（第4 版）［M］.清华大学出版社，2003