新扩建堤防填料对加高培厚堤防工程沉降的影响研究

杨永森 顾艳玲 孙天祎

(中国水利水电科学研究院,北京 100038)

近几十年,我国强降雨频频发生,不仅给城市居住环境带来很大的危害,同时也给水利工程的正常运行带来了严峻的考验和挑战[1]。 我国有大量的堤防工程,尤其是土质堤防,直到现在依然是被广泛采用的防洪工程。 但我国现存的土质堤防有很多是早期无标准建设的民堤和民垸,还有一些已经无法满足现行防洪标准要求的堤防,它们都存在断面不足、堤身质量较差的问题。 相比重建,加高培厚显得更加经济且较易实施[2]。 但加高培厚往往容易发生新老堤防结合部差异沉降问题,导致堤顶出现裂缝[3],因此需要严格控制加高培厚堤防工程的沉降,以保证堤防的整体稳定性。

目前,关于控制堤防沉降的研究有很多,周英雄等[4]分析了不同置换深度、不同的坡脚外置换宽度对堤防变形及稳定性的影响规律,其成果对软基条件下堤防设计具有一定指导意义。 陈东海等[5]针对堤防填筑荷载下地表沉降进行了现场试验研究,得出在超软土地基上修建堤防时,地基工后沉降量起主导作用。杨万红等[6]分析了汽车荷载对新沭河公兴港闸以北段堤防的沉降影响。 孔纲强等[7]分析了填筑速率、填筑间歇时间等关键性施工控制指标对软基上堤防沉降的影响规律,为类似软基上新建堤防施工质量控制提供参考依据。 蒋建平[8]对隧道穿越堤防时的堤顶面沉降规律进行了研究,指出当隧道穿越堤防时,可采取增大堤身弹性模量等措施减小堤顶面沉降。 但很少有研究加高培厚堤防新填材料对堤顶沉降的影响,道路方面也有一些研究,宿金成[9]研究了新填路基材料参数对堤防稳定性的影响,但也只分析了对安全系数的影响,并没有研究对沉降的影响。 类似研究还有很多[10-15]。然而,这些研究大多没有系统地考虑新填材料参数对沉降的影响,并且道路一般只是扩宽,堤防还涉及加高部分的影响,因此需要对新填堤防材料对加高培厚堤防工程沉降的影响进行研究。

本研究利用ABAQUS 软件进行有限元分析,对不同新填堤防材料密度、内摩擦角、黏聚力及弹性模量条件下的沉降进行研究,旨在分析新填堤防材料对加高培厚堤防工程沉降的影响,以期对堤防加高培厚工程的差异沉降控制提出一定的指导建议。

1 模型假设及计算参数

1.1 模型假设

由于已建堤防(即老堤)长时间的固结沉降,其堤身及其下面的地基部分的沉降早已固结完成,故加高培厚堤防工程的沉降主要是由两部分组成,一部分是新填堤防(即新堤)由于自身欠固结导致的沉降,另一部分是新填堤防下的地基由于新填堤防的重力压载作用产生的沉降。 堤顶的沉降是二者之和,堤顶的沉降直接关系着整个堤防的稳定性,本研究主要分析新堤材料对加高培厚堤防工程沉降的影响,加高培厚堤防工程的工后固结沉降采用有限元法模拟计算,模型假设如下:

a. 将堤防固结问题假设为平面应变问题,进行二维有限元分析。

b. 假定土体(新堤、老堤、地基)为理想的弹塑性材料,采用有限元中的Drucker-Prager 模型模拟土体材料[16]。

c. 地基底面约束水平方向和竖直方向,两侧只进行水平方向约束。

d. 地基采用一种材料参数进行模拟。

1.2 计算参数

本研究依托松花江干流堤防治理工程,取其第九标段新发新农堤防进行研究,该堤防全长16.57km,防洪标准为50 年一遇,堤防级别为2 级。

在典型老断面的基础上,进行加高培厚,加高1.5m,背水坡一侧进行培厚,堤顶加高后宽度6m,培厚完堤防的坡度1 ∶1(见图1),堤防填料参数见表1。

图1 松干堤防断面(单位:m)

表1 计算参数

2 新填堤防填料密度的影响

对于堤防工程,大部分荷载来源于自重,堤防填土的密度直接影响堤防的自重荷载,因此对堤防的稳定性有直接的影响。 对于堤防加高培厚工程,在保持地基和老堤材料参数不变的情况下,只改变新堤填料密度,并用有限元法对不同密度条件下的加高培厚堤防进行分析,密度分别为50kg/m3、100kg/m3、500kg/m3、1000kg/m3、 1500kg/m3、 2000kg/m3、 2500kg/m3、3000kg/m3,得出加高培厚堤防的沉降量,如图2 所示。

图2 不同密度的新堤填料的堤顶沉降曲线(单位:kg/m3)

结果表明,随着密度减小,堤顶的沉降值不断减小,最大沉降值也不断减小,新老堤防之间的差异沉降将会变小,刚开始,密度平均每减小500kg/m3,沉降减小约0.02m,减小至100kg/m3以后,变化就不是那么显著了。 在实际工程中,采用密度较小的新堤填料,可以减小堤顶沉降,增加堤防扩建工程的稳定性,对于处治新老堤防结合部不良情况是有好处的。 建议在实际工程建设中,在满足工程建设的条件下,采用密度较小的材料作为新堤的填料,但密度不宜太小,因为密度越小,造价越高,且施工难度较大,整体工程经济效益并不是很好,建议密度在1000 ~1500kg/m3之间选取。

3 新填堤防填料c、φ 值的影响

保持新堤其他材料参数不变,分别变化黏聚力c、内摩擦角φ 值,分析新填堤防填料c、φ 值的变化对加高培厚堤防工程稳定性的影响。 采用有限元法计算不同c、φ 值的加高培厚堤防的沉降量,c 值为1kPa、3kPa、10kPa、20kPa、50kPa、70kPa,φ 值为1°、10°、20°、30°、40°、50°。 同样采用有限元法计算出加高培厚堤防的堤顶沉降量,如图3 ~图4 所示。

图3 不同黏聚力的新堤填料的堤顶沉降值(单位:kPa)

图4 不同内摩擦角的新堤填料的堤顶沉降值

结果表明:随着黏聚力的增大,堤顶沉降逐渐减小,每增加10kPa,平均沉降减小0.01m,c <50kPa 时,沉降变化较大,但黏聚力超过50kPa 以后变化幅度很小,说明新建堤防的抗剪强度对加高培厚堤防的稳定没有完全发挥作用;当黏聚力c <10kPa 时,新堤填料是不能直接用于加高培厚的,应加以工程措施,如用土工模袋将土料装起来,并整体连接起来,有助于提高堤防的整体稳定性。 随着内摩擦角的增大,堤顶沉降逐渐减小,φ <20°时,新堤顶的沉降值变化较大,每增加10°,沉降减小0.04m。 当内摩擦角超过20°以后,对新堤顶沉降的影响不明显,说明新建堤防的抗剪强度对加高培厚堤防的稳定没有完全发挥作用;当内摩擦角为1°时,计算不收敛,发生大变形,堤防破坏,因此导致内摩擦角为1°时,对堤顶的沉降曲线无法作出比较;同样,此时的新堤填料是不能直接用于加高培厚的,必须采用相应的工程措施,且图3 和图4 的两个曲线变化趋势,可以表明内摩擦角对堤防沉降的影响大于黏聚力。

4 新填堤防填料弹性模量的影响

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度,土体的弹性模量是由压缩模量换算过来的,其在土体固结沉降中起着重要的作用。 同样保持新堤其他材料参数不变,分别变化弹性模量的值,分别为5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa,分析新填堤防填料弹性模量值的变化对加高培厚堤防工程稳定性的影响。 采用有限元法计算不同弹性模量值的加高培厚堤防的沉降量,如图5 所示。

图5 不同弹性模量的新堤填料的堤顶沉降值(单位:MPa)

随着弹性模量的增大,堤顶沉降减小,并且相比其他材料参数,弹性模量对堤顶沉降的影响还是比较显著的,增大到一定程度后,堤顶沉降曲线趋向于一字形,表明此时堤顶的新老堤防差异沉降较小,因此,在工程建设中减小堤顶差异沉降这一方面,改变弹性模量比较有效。

5 结 论

a. 新堤填料参数中,从堤顶沉降曲线变化趋势来看,弹性模量和密度的变化对沉降影响最大,内摩擦角的影响次之,黏聚力的影响小于内摩擦角。

b. 建议在实际工程建设中,在满足工程建设的条件下,采用密度较小的材料作为新堤的填料,但密度不易太小,因为密度越小的填料,造价越高,且施工难度较大,整体工程经济效益并不是很好,建议密度在1000 ~1500kg/m3之间选取。 若采用密度1000kg/m3以内的填料,应加以开挖台阶、加筋等工程措施并进行具体的稳定性分析。

c. 若在实际工程建设中,尤其是堤防的加高培厚工程,黏土填料不易获得,只能采用砂土或者抗剪强度较差的黏土时,应附加其他工程措施,以保证堤防的稳定性,建议将新堤填料用土工袋装起来,并将所有装满新堤填料的土工袋连接成一个整体后,与老堤土连接固定,不仅能增强土体抗剪强度,还能够抵御新老堤防的差异沉降。

d. 弹性模量对于减小新老堤防差异沉降有着显著的作用,加高培厚工程应用中,可采用弹性模量较大的材料作为新堤的填料,以减小堤顶的沉降,减小堤顶裂缝。

综上所述,对于同类加高培厚堤防工程的设计,应综合考虑填料密度、内摩擦角、黏聚力以及弹性模量的影响,辅予以相应的工程措施,以保证堤防的稳定性。