地基水泥土搅拌桩对水闸长效服役的变形影响分析

吴 强，欧 斌，黄 丹

(1.九江市柴桑区水利事务中心，江西 九江 332101，2.云南农业大学水利学院，云南 昆明 650201，3.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099)

1 概述

水闸作为一种重要的水工建筑物，具有调水、防洪、输水、挡潮及交通运输等作用，尤其是平原地区河流、湖泊和出海口等水体流域[1]。在平原地区和河流下游，较多的水闸存在闸基覆盖层较厚的地质情况，需要做地基处理以提高水闸的安全稳定性[2- 3]。目前对于水闸地基深覆盖层的研究较多，如蒋达等人考虑深覆盖层水闸闸基和底板间接触的非线性，采用ANSYS软件计算研究了水闸的沉降特性[4]；邓理想等人通过三维有限元软件研究计算了新疆錾高水电站覆盖层上泄洪冲沙闸的沉降变形[5]；邓理想等人还就錾高水电站深覆盖层的泄洪冲沙闸基础地震动力问题采用Abaqus有限元软件计算分析了其永久变形[6]。为了提高深覆盖层上的水闸结构稳定性，特别是长期服役后水闸枢纽的安全性，需要对深覆盖层的地基进行加固处理。对于深覆盖层地基加固处理措施和方案因不同地形地质而不同。常用的加固措施方案一般包括置换拌入方案、排水固结方案、灌浆方案、振密或挤密方案、加筋方案、水泥土搅拌桩加固方案和钻孔灌注桩方案等[7]。其中对于深覆盖层的闸基，水泥土搅拌桩加固方案和钻孔灌注桩方案的应用较多。水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，在地基内通过将软土或砂等固化剂拌合，从而提高土基的稳定强度；具有施工方便、加固作用强和工程造价低等优点[8]。钻孔灌注桩是通过机械钻孔在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼，灌注混凝土做成桩，靠桩承受外部荷载，其优点为承载力高、施工方便、适用范围大和适用于复杂地质条件等[9]。

目前，随着施工技术和工艺以及建筑材料的发展，各种水闸地基处理方案和措施被应用到具体的工程中。因此关于深覆盖层的地基处理对水闸结构稳定性的研究成果较多。如刘会桥通过粉喷桩的桩土沉降、桩土应力比、孔隙水压力、水平方向位移4个参数指标评价研究了粉喷桩在水闸软土地基处理中的效果和适用性[10]；王涛等人通过ABAQUS有限元计算软件计算研究了采用碎石桩加固某进水闸粉砂地基前后的水闸变形沉降[11]；蒋爱辞等人研究了PHC桩及水泥搅拌桩联合技术在水闸地基处理中的应用问题，相应地求解了单桩竖向承载力、复合地基承载力以及确定了桩长、桩径及桩间距[12]；王西青介绍了水闸软土地基处理中预制高强混凝土管桩设计与试验方法[13]。由此可知，当前的研究主要集中在施工和建设过程中，各种地基处理方案对水闸结构安全稳定的影响，对于在水闸长期服役情况下，经过地基处理后的水闸结构变形影响的研究较少，因此需要进一步进行研究。为此，本文通过实际工程案例，采用三维有限元计算方法，计算了经过长期服役后的水闸的结构变形，通过计算结果对比分析了地基处理在水闸长期服役后对结构变形的影响。这对同类水闸工程的结构计算和评价研究具有重要的工程价值。

2 考虑桩地基处理的水闸结构计算模型

由于水闸结构枢纽的材料组成差别较大，需要采用不同的材料本构模型进行模拟计算分析。其中水闸闸基深覆盖层土体的本构模型选用摩尔库伦(Mohr-Coulomb)塑性模型来进行塑性计算分析，水闸混凝土结构采用线弹性本构模型[14]。

2.1 水闸结构有限元本构模型

2.1.1有限元模型的基本假定

由于水闸工程中地质环境较为复杂，在进行地基加固的模拟过程中，为使得计算在较为合理的基础上模型尽量简单，对闸室地基加固的模型进行分析时，进行相应的假定及简化：闸室底板及闸室只考虑其弹性变形，假定材料为匀质，且为弹性材料，不考虑混凝土结构内部变形等因素；在水闸正常服役期间，即未发生倾覆的情况下，加固桩与土体、闸室底板与垫层为相对有限滑动位移。

2.1.2有限元模型计算的基本理论

在采用有限单元法对水闸进行结构计算分析时。首先需要对结构离散化。当用结点位移表示单元体的位移、应变和应力，则假定位移是坐标的某种函数的位移模式。根据所确定的位移模式，从而可以用结点表示单元内任意点的位移关系[15]。

u=Nδe

(1)

式中，u—单元内某点的位移分量；δe—单元结点的位移分量；N—形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。单元内的应变和应力分别为：

ε=LTNδe=Bδe

(2)

σ=Dε=DBδe=Sδe

(3)

式中，B、S—应变矩阵、应力矩阵。

将式(1)代入系统势能π的表达式，得到：

(4)

根据最小势能原理，式中势能的变分为零，故：

(5)

由于结点位移向量δe的任意性，有：

(6)

上式可以转为：

Keδe=fe

(7)

式中，Ke—单元刚度矩阵；fe—等效结点力。其表达式分别为：

(8)

(9)

(10)

(11)

通过集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。要求所有相邻的单元在公共结点上的位移相等。于是得到用整体刚度矩阵K、载荷向量f和整个结构的结点位移向量δ表示的整个结构的平衡方程：

Kδ=f

(12)

对方程(12)进行适当修改以考虑结构的边界条件后解出结点位移δ，然后利用单元特性计算单元应力或内力。

2.2 接触单元

为了较为精确地模拟计算水闸的变形，需要对水闸材料变形特性差异较大的区域设置接触单元以协调二者之间的变形。由于水闸在正常服役情况下，水闸各部分变形相对于水闸结构本身为小变形，则水闸不同材料接触间的滑动为有限滑动。因此，由水闸材料的滑动属性，本文引入标准库伦摩擦模型模拟其接触。标准库伦摩擦模型需要设置接触对用来模拟材料间的摩擦滑动。其一为主滑动面，另一则为从滑动面。本文在水闸底板和地基之间以及地基和桩之间设置接触。其中在水闸底板和地基之间的接触，底板为主接触，土层地基为从接触；地基和桩之间的接触，土层地基为主接触，桩为从接触。

2.3 水闸工程有限元计算的基本荷载与计算流程

水闸工程有限元计算的外部基本荷载一般包括结构的自重、水重、静水压力、扬压力等。各部分荷载具体计算要求详见相关规范和设计工况要求，这里不再赘述。

考虑桩基影响的水闸工程有限元变形的计算流程主要分为6步：①根据工程资料进行三维有限元建模；②对进行深覆盖层的地基地应力平衡；③根据工况要求，确定基本荷载的组合情况；④进行三维有限元计算，分别计算运行第1年和15年的结构变形；⑤同第4步，计算没有进行地基处理的水闸结构变形；⑥对比分析水闸变形的结果，研究地基处理对水闸稳定性的影响。

3 工程算例

3.1 地基处理方案与有限元模型

某水闸工程为双向挡水闸，位于长江下游的支流入江口，水闸处在深覆盖土层上，需要进行地基处理。地基处理方案为闸室设地下板桩连续墙，起稳定和防渗2个作用；在水闸的闸左和闸右进行深度水泥土搅拌桩处理，桩的深度为30m。水闸为3孔，每孔宽8m，设计流量为210m3/s。水闸闸室、底板均采用C30混凝土。闸室、板桩及水泥土搅拌桩的布置情况如图1所示。

图1 闸室、板桩及水泥土搅拌桩三维有限元结构模型

该水闸枢纽的三维有限元计算模型范围为，从上游翼墙往上游延伸100m，从下游翼墙顺下游延伸100m。左右岸的范围为自闸室各向两岸延伸70m。竖直范围为从底板下至岩石基础。水闸地基的深覆盖层按地质情况分为5层。水闸枢纽的三维有限元模型的单元共有274912个，其中闸室单元有62542个，深覆盖层土基单元有192464个，板桩和水泥土搅拌桩单元为19906个。该水闸枢纽有限元模型及覆盖层土层分布如图2所示。

图2 水闸枢纽有限元模型及地基深覆盖层分层情况

3.2 混凝土及地基土层的有限元模型参数

水闸的闸室、地下板桩等均采用C30混凝土，护坡采用M20浆砌石。混凝土和浆砌石的物理力学参数见表1。深覆盖层的土层按力学性质分为5层，由浅及深的地基土层物理力学参数见表2。水泥土搅拌桩三维有限元的本构模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，其物理力学参数见表3。

表1 水闸混凝土及浆砌石线性材料的力学参数

表2 水闸深覆盖层各土层力学参数(由浅及深)

表3 水泥土搅拌桩的力学参数

3.3 考虑地基处理的有限元结果与分析

由以上确定有限元模型的各不同材料参数，以及水闸枢纽模型的边界采用3向固定约束，地基采用法向约束，其余为自由约束。荷载组合选择设计工况荷载，水位取设计水位。在进行初始地应力平衡之后，输入模式参数及施加模型荷载，从而可以得到计算结果。由于要比较经过水泥土搅拌桩地基处理对闸室变形特性的影响，而水泥土搅拌桩所承载闸室的垂直向荷载较小，主要承载来自地基的切向荷载。该闸为双向挡水闸，则顺河向位移对评价水闸结构安全较为关键，综合考虑选择顺河向的位移作为研究分析变量。

考虑水泥土搅拌桩处理的闸室结构顺河向位移在服役第1年和第15年的结果如图3—4所示。

图3 考虑桩地基处理的水闸服役第1年顺河向位移(单位：m)

图4 考虑桩地基处理的水闸服役第15年顺河向位移(单位：m)

为了研究水泥土搅拌桩处理的地基对水闸变形的影响，将水泥土搅拌桩在模型中删除后再进行如上计算。其未进行水泥土搅拌桩处理的闸室结构顺河向位移在服役第1年和第15年的结果如图5—6所示。

图5 未考虑桩地基处理的水闸服役第1年顺河向位移(单位：m)

图6 未考虑桩地基处理的水闸服役第15年水闸顺河向位移(单位：m)

由图3—6可得：在设计水位下，在考虑水泥土搅拌桩地基处理的水闸服役第1年和第15年的顺河向位移的分布特性一致，在量值上略有增加，最大值在闸墩顶部，从5.82mm增加到5.86mm，但增加幅度不大，底板的最大值基本一致。在未进行水泥土搅拌桩地基处理的水闸服役第1年和第15年的顺河向位移的分布特性基本一致，但在量值上相较于经过桩处理的情况增加明显，最大值在闸墩顶部，从5.82mm增加到8.67mm，增加幅度较大，并且底板的最大值也从1.34mm减至0.59mm。由此可知，未进行水泥土搅拌桩地基处理的水闸的变形较大，结构安全稳定性较差，对处在深覆盖层的水闸进行地基加固十分必要。

4 结论

(1)本文阐述了考虑桩基处理的深覆盖层水闸三维有限元计算方法，重点对比分析了水闸在经过桩基处理和未经过桩基处理2种情况对水闸长期服役的结构变形影响。

(2)由结果可知，在服役第1年，2种情况的顺河向变形差别不大；而在服役第15年，未经过地基处理的水闸变形明显增大，不利于结构的安全稳定。该计算方法可为同类地基处理的水闸计算提供借鉴，具有工程意义和推广价值。