抗滑桩在软弱土基堤防改造工程中的应用

余敏林

(宁波弘正工程咨询有限公司，浙江 宁波 315192)

堤防改造，在自身改造的同时还需要考虑堤后场地的配套建设，由于地块开发，堤后地坪被抬高，导致堤防的抗滑稳定性受到影响，特别是软弱土基堤防更应注意堤防的抗滑稳定性。增加堤防抗滑稳定性的工程措施一般有增设水泥搅拌桩或灌注桩。水泥搅拌桩由于抗压强度较高而抗剪强度较低，主要用于提高地基承载力、减少沉降量[1]、形成防渗止水、帷幕和被动土加固等[2]。灌注桩施工工艺成熟，由于混凝自身的特性，结构的桩身强度高，抗剪能力强，稳定及变形可得到有效控制，布置灵活[3]。因此，可利用灌注桩作为抗滑桩增加堤防抗滑稳定性。

目前抗滑桩的计算，主要有港工地基规范法、沈珠江的扰流阻力法、地基系数法、“K”法及“m”法[4-5]和有限元计算方法等。港工地基规范法将桩简化为一根两端固定的桩顶受水平集中力的梁，支撑点为桩顶和滑动面以下与桩顶同距离处，采用矩形分布的土压力模型[7,10]，梁中点为反弯点，其弯矩为零时的剪力即为抗滑力。沈珠江的扰流阻力法认为桩表面粗糙，土层为无限广阔的理想凝聚材料，在此假设下推导了桩间距有限情况下土层沿水平向运动时桩身受到的绕流阻力，再根据极限设计原则计算桩刚好折断、桩周土正好发生绕流运动时桩的抗剪承载力即为抗滑力[8-9]。地基系数法将桩看成是弹性地基上的梁，把滑动面以上的滑坡推力作为已知外部荷载，根据滑动面上下土层的地基系数，应用文克尔假定计算桩的抗滑力。“K”法及“m”法实质上也是地基系数法，主要用于计算滑动面以下锚固段岩土的弹性抗力；“K”法假设地基系数为常数，不随深度而变化，适用于较为完整的岩层和硬黏土；“m”法假设地基系数为深度的线性函数，随着深度增加，地基系数呈线性增加，适用于硬塑至半坚硬的砂黏土、碎石类土或风化破碎的岩层；一般情况下，地基系数K、m应通过试验确定[10]。应用港工地基规范法、沈珠江的扰流阻力法、地基系数法和“K”法及“m”法时，许多指标都没有统一的选择标准，多数依靠设计人员的的经验选取，而且基本上未能考虑桩土协同作用，可以说这些计算方法是不够完善的[6]。有限元法把桩和土体当成一个整体来考虑，通过选择适当的本构模型和相互作用模型，可以模拟桩和土体之间的相互作用，具有较高的准确性。

本文采用有限元计算软件ABAQUS，基于强度折减法，同时考虑桩和桩间土的协同作用[3]，结合工程实例，通过对抗滑桩桩间距和桩长的试算，优化抗滑桩的布置方式，合理利用工程投资。

1 ABAQUS边坡稳定分析

1.1 强度折减法

有限元软件ABAQUS中计算边坡稳定方法为强度折减法，即在保持边界条件和荷载条件不变的状态下，通过不断调整岩土的强度折减系数(Fr)得到新的岩土强度，通过折减后的岩土强度进行迭代计算，当土体达到临界破坏时的强度折减系数即为边坡稳定安全系数(Fs)[11-13]。Fr相当于传统意义上的边坡稳定安全系数，这与极限平衡法中的稳定系数是一致的[14]。岩土折减规则如下：

cm=c/Fr

(1)

φm=arctan(tanφ/Fr)

(2)

式中c、cm——岩土折减前、折减后黏聚力；φ、φm——岩土折减前、折减后摩擦角；Fr——折减系数。

判断边坡达到临界破坏的准则，目前主要有以计算是否收敛、以特征节点的位移突变和以塑性应变是否连通作为评价标准[15-17]。本文以特征节点的位移突变作为边坡达到临界破坏的判断标准，取此时的强度折减系数为边坡稳定安全系数。

1.2 桩土接触

抗滑桩问题中，桩和土协同作用，桩土间会产生不连续的约束，是典型的接触问题。ABAQUS软件在接触模拟中采用主-从(master-slave)接触算法[18]。建立桩土接触时，通过设置主接触面和从属面生成接触对，对接触对的本构关系加以定义，采用面面离散方法，模拟桩土之间的摩擦效应。桩土接触的本构模型较多采用库伦(Coulomb)摩擦模型[19]，定义摩擦系数表示接触面间的摩擦行为，当接触面间剪切力大于摩擦力即为发生相对位移，主接触面和从属面形成不连续的变形，桩土协同抗滑时，这种不连续变形是可能存在的，这就是设置接触的意义[17]。

2 工程应用

2.1 工程概况及地质情况

宁波市奉化江堤防新典路段改造项目是鄞奉片区打造“一轴、两带、一核、四心”的重要基础，是鄞奉片区城市更新的关键性要素。工程防洪(潮)标准为100年一遇，主要建筑物等级为1级。现状堤防为堤岸合一式结构，下部为岸墙，墙顶设置临时防洪堤。本次改造时，岸线根据现状布置，将岸墙顶部防洪堤拆除，新浇筑钢筋混凝土压顶，压顶上设置不锈钢栏杆，墙后设置景观绿化带和慢行系统。

堤防所属地区第四系松散堆积物厚度大，浅部以海相沉积的淤泥质土为主，且厚度变化不大，下部为冲湖积粉质黏土。场区土层自上而下依次为1-1层素填土、1-2层黏土、2-1层淤泥质黏土、2-2层淤泥质粉质黏土、5-1层黏土等(图1)。1-1层素填土均匀性差，土体结构松散，工程性质差，强度低；1-2层黏土具一定承载能力，土质尚均匀；2-1层淤泥质黏土及2-2层淤泥质粉质黏土含水量高、压缩性高、灵敏度高、土质不均匀、强度低，呈典型的软土特征，土的力学性能差；5-1层黏土呈可塑状，土质尚均匀，属中压缩性、强度较高硬土层(表1)。

对改造断面不采取任何抗滑措施时，堤防抗滑稳定安全系数为0.988，稳定性不满足设计要求，因此需要采取措施，对堤防进行稳定加固处理。根据前文所述，本次堤防改造工程采用灌注桩作为抗滑桩以增加堤防抗滑稳定性。改造后堤防典型断面见图1。

表1 土层物理参数建议值

2.2 计算模型及工况参数

由于项目为堤防改造工程，施工期不建设围堰，因此本项目施工期可认为与正常工况基本一致，文本仅分析堤防正常运行工况下墙前低水位时堤防抗滑稳定性。该工况下，墙后地下水取平原常水位1.36 m(1985年国家高程基准，下同)，墙前水位取多年平均低潮位-0.50 m。

抗滑桩采用φ800 mm钻孔灌注桩，考虑到不同桩长和桩间距对堤防稳定的加固作用不同，为求最优桩长和桩间距，分别设置了不同的桩长和桩间距进行分析计算，桩设置情况见表2。

根据以上抗滑桩布置建立有限元计算模型，由于验算情况较多，每种情况均需进行建模计算，为简化建模过程和提高计算效率，利用对称性对工程建立三维计算模型。限于篇幅，本文仅展示桩长12 m、桩间距5D的网格模型，见图2。

表2 抗滑桩布置情况

图2 有限元计算网格模型

2.3 计算结果与分析

本文以特征节点的位移突变作为边坡达到临界破坏的判断标准，取此时的强度折减系数为边坡稳定安全系数，经有限元计算后，提取特征节点位移与土体强度折减系数数据绘制折减系数-特征节点位移关系曲线，各桩长不同桩间距的关系曲线见图3，并将计算结果汇总到表3。

a)桩长8 m

b)桩长10 m

c)桩长12 m

d) 桩长14 m

e) 桩长16 m

表3 不同桩长下堤防抗滑稳定安全系数结果汇总

根据计算结果，本工程中当桩长为8 m时，调整桩间距，堤防抗滑稳定安全系数均为1.07，桩间距对安全系数基本上没有影响；当桩长增加到10～14 m时，安全系数逐渐增大，且增大幅度随着桩间距减小而增大；若继续增加桩长，安全系数在同一桩间距条件下几乎不变，趋于定值(图4)。可以看到，当桩长大于8 m时，桩间距越小，堤防抗滑稳定安全系数越大，抗滑桩作用效果越明显。

图4 不同桩间距时桩长和抗滑稳定安全系数关系曲线

根据相关文献，一般抗滑桩间距可取3～8 m[20]，而本工程桩间距较小才对稳定安全提高作用明显，主要是因为本工程地基主要为淤泥质土，土体抗剪强度较低，桩间土拱效应弱，当桩间距较大时，土拱不足以形成应力转移效应，反而会导致桩间土挤出[21]，因此在软弱土体中，抗滑桩间距应相对较小，较理想的状态是抗滑桩密排布置(需考虑适当的扩孔系数)。另外本工程中，当桩长为8 m时，安全系数均较小，且不随桩间距变化，可知此时桩长设置不足，桩尚未起到阻滑作用；当桩长大于14 m时，不改变桩间距情况下，安全系数趋于定值，可知此时桩长设置过长，抗滑性能过剩。

经过以上计算，本工程合理的抗滑桩布置方式为桩间距1.5D，即1.2 m，桩长14 m，此情况下堤防抗滑稳定安全系数为1.40，经极限平衡法(瑞典圆弧法)验算抗滑稳定安全系数为1.356，满足设计要求。

3 结语

宁波市奉化江新典路段堤防为软弱土地基，文章通过ABAQUS有限元软件，结合强度折减法，对本段堤防改造工程进行了抗滑桩的计算分析，得出如下主要结论。

a)抗滑桩长度较短时，桩身未经过滑动面，锚固深度设置不足，桩尚未起到抗滑作用，改变桩间距对堤防抗滑稳定安全系数无影响。

b)抗滑桩长度合理时，堤防抗滑稳定安全系数随着桩间距增大而减小，软弱土地基堤防中抗滑桩密排布置时，抗滑桩的作用效果最好。

c)当抗滑桩桩间距过大时，含水量高的软弱土体呈流塑状，桩间土的土拱效应薄弱，土体易从桩间流出，抗滑桩作用效果较差。