岸墙后趾下灌注桩对高填土边载荷的影响

冯 帅 杨子江

（1.国家投资项目评审中心 北京 100037 2.中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

水闸与两岸的连接型式主要受地基条件和闸身高度影响。地基条件较好、闸身高度不大时，边墩与河岸可直接连接；地基条件较差、闸身高度较大时，边墩与河岸直接连接可能会产生不均匀沉降，进而影响闸门启闭。边墩后面设置岸墙这种连接型式可以减小边墩和闸底板内力，降低不均匀沉降发生的风险。这种工程做法在水闸设计实践中相当普遍，但岸墙后高填土引起的边载荷影响问题也越来越受到关注，一些研究结合工程实例分析了高填土边荷载对水工建筑物的影响，指出水闸设计应重视高填土边荷载引发的沉降和不均匀沉降问题，建议尽量采取措施减轻高填土边荷载的影响[1-4]。

高填土挡土墙下设置灌注桩是一种能有效减轻高填土边载荷影响的方法，一般称为桩基础挡土墙，此结构以桩体作为挡土墙结构基础，近年来已有不少这方面的工程实例[5]，但定量分析灌注桩对高填土边载荷减轻效果的研究报道较少。本文以耿楼枢纽工程为例，借用MIDAS GTS NX 软件就岸墙后趾下灌注桩对高填土边载荷的影响进行数值模拟分析。

2 工程概况

耿楼枢纽由节制闸和船闸组成，节制闸布置在船闸南侧，上、下游引河与老河道平顺连接，上游引河底宽107.66m，下游引河底宽119.18m，引河底高程21.00m。节制闸为II 等大（2）型工程，20年一遇设计流量3910m3/s，50年一遇校核流量4770m3/s。闸室总宽110.06m，共12 孔，单孔净宽7.50m，顺水流方向长24.00m。闸室两侧分别布置桥头堡，桥头堡内布置电气设备及水闸集中控制系统。工作闸门采用平面钢闸门，启闭机选用卷扬式启闭机。

3 模型构建

3.1 本构模型选取

结合耿楼枢纽节制闸工程实际，本研究在借用MIDAS GTS NX 模拟计算时，选用的本构模型有线弹性模型（闸室、岸墙、翼墙、垫层和灌注桩）、莫尔-库伦模型（粉质壤土、砂壤土、粉质粘土和细砂）和修正莫尔-库伦模型（回填水泥土）。

3.2 接触面单元选用

接触面单元形式主要有无厚度双节点单元、薄层接触面单元、无厚度接触面单元（Goodman 单元）和接触摩擦单元等。对节制闸岸墙、翼墙而言，存在墙面与回填水泥土的接触面；对混凝土灌注桩而言，存在桩体与地基土体的接触面。考虑到混凝土与土体弹性模量差别较大，为较准确模拟不同材质在同等应力作用下的变形，本研究最终选用无厚度接触面单元（Goodman 单元）。

3.3 模型简化说明

为在尽可能保证结果准确的前提下提高模型计算效率，该研究对节制闸岸墙、翼墙有限元计算模型采取以下简化假设：（1）分析节制闸岸墙后趾下灌注桩对高填土边载荷影响时，将闸室和岸墙作为研究对象；（2）建模过程中，未考虑地下水及其渗流影响、土体的排水与固结及时空效应，施工阶段设置到完建期，未考虑运行期水压力的影响；（3）为了简化计算，模型中各种材料均是均质各向同性，灌注桩采用梁单元模拟；（4）三维整体基本模型中的土层假定为成层土，忽略各土层的起伏变化；（5）考虑到节制闸左右岸对称性，仅对节制闸左岸进行三维整体建模。

3.4 模型建立

该研究考虑在计算条件允许情况下尽量消除边界条件的影响。建立模型总长400m，约为建筑物长度的4 倍；模型总宽300m，约为建筑物宽度的3 倍；深度方向取60m。混泥土灌注桩以0.5m 进行尺寸控制并划分网格；闸室、岸墙、上下游翼墙及回填水泥土以3m 进行尺寸控制并划分网格；地基土层以5m 进行尺寸控制并划分网格（其中最下层土体按10m 控制尺寸并划分网格）。模型共187620个节点，209630 个单元，单元采用以六面体为中心的混合网格（四面体+六面体组合形状）。模型整体及岸墙、翼墙和灌注桩的网格划分分别如图1 和图2 所示。

图1 整体网格划分图

图2 岸墙、翼墙和灌注桩网格划分图

模型荷载条件：（1）自重荷载，模型参考坐标系定位整体直角坐标系，Gz 轴重力分量定义为-1，Gx 和Gy 轴方向重力分量定义为0；（2）外部荷载，闸室及岸墙上部施加道路荷载，设置均布荷载为12kN/m2。

3.5 施工阶段定义

该研究定义五个施工阶段进行数值模拟：（1）初始地应力分析阶段；（2）混凝土灌注桩施工阶段（岸墙未设置灌注桩的情况无此阶段）；（3）闸室、岸墙和翼墙施工阶段；（4）回填水泥土阶段；（5）施加外部荷载阶段。

4 模型结果

4.1 竖向位移分析

岸墙后趾下无灌注桩和设置灌注桩两种情况下的竖向位移云图分别如图3 和图4 所示。

图3 无灌注桩条件下闸室、岸墙竖向位移图

图4 设置灌注桩条件下闸室、岸墙竖向位移图

由图3 可知，岸墙后趾下无灌注桩时的最大沉降量为135.26mm，最大位移出现在岸墙后趾处。由图4 可知，岸墙后趾下设置灌注桩的最大沉降量减少为69.54mm，最大位移同样出现在岸墙的后趾处。由此可见设置灌注桩后岸墙的最大沉降量减少了65.72mm，灌注桩抑制岸墙最大沉降量的效果为48.59%。

另一方面，图3 显示岸墙后趾下无灌注桩时的最小沉降量为102.39mm，出现在岸墙前趾处，前后趾沉降差为32.87mm。图4 显示岸墙后趾下设置灌注桩的最小沉降量减少为56.18mm，也出现在岸墙前趾处，前后趾沉降差减少为13.36mm。可见设置灌注桩后岸墙的前后趾沉降差减少19.51mm，灌注桩抑制岸墙不均匀沉降的效果为59.36%。

4.2 水平位移分析

岸墙后趾下无灌注桩和设置灌注桩两种情况下的水平位移云图分别如图5 和图6 所示。

图5 无灌注桩条件下闸室、岸墙水平位移图

图6 设置灌注桩条件下闸室、岸墙水平位移图

由图5 可知，岸墙后趾下无灌注桩时的最大水平位移为16.29mm，出现在岸墙墙顶。由图6 可知，岸墙后趾下设置灌注桩的最大水平位移减少为6.19mm，同样出现在岸墙墙顶。可见设置灌注桩后岸墙的最大水平位移减少10.10mm，灌注桩抑制岸墙后倾的效果为62.00%。

本研究中，岸墙后趾下设置灌注桩对闸室、岸墙沉降量、不均匀沉降程度和后倾的抑制效果分别为48.59%、59.36%和62.00%。综上分析，岸墙后趾下设置灌注桩能够有效减小闸室、岸墙沉降量，减弱不均匀沉降程度及降低闸室、岸墙后倾风险。

5 结论

岸墙后高填土引起的边载荷直接影响水工建筑物的安全稳定，在高填土挡土墙下采用桩基础是一种能有效减轻高填土边载荷影响的方法。该研究通过耿楼枢纽节制闸岸墙后趾下灌注桩对高填土边载荷的影响进行模型定量数值分析，结果表明岸墙后趾下设置灌注桩能够有效减小闸室、岸墙沉降量，减弱不均匀沉降程度并降低闸室、岸墙后倾风险