水泥搅拌桩加固堤防数值模拟与分析

雷刚

（赣州市天鹰水利水电规划设计有限公司，江西 赣州 341000）

1 工程概况

赣州市某水利水电工程采用斜坡式堤身，防浪墙墙顶和堤顶高程分别为116.84 m和116.12 m，堤顶设计宽度5.60 m。堤防等级为4级，设计洪水标准为20年一遇。该处堤防虽然经受住了2020年夏季洪水的考验，但是在洪水浸泡及反复冲刷下，堤顶和迎水侧出现明显裂缝，部分地段甚至出现滑坡。现场检测表明，纵向裂缝深度在1.40～2.50 m 之间，宽度在25～85 mm之间。进一步勘察结果显示，在该斜坡式堤防修建时未彻底清理地基，堤防下部粉质粘土和淤泥质粘土厚度大，含水量高，可压缩性强，抗剪强度低。如果将病害堤身段全部挖除并换填，则势必影响水利水电工程顺利运行，故决定采用水泥搅拌桩对堤身展开加固处理，提升堤防结构承载力。

2 模型构建

为分析该水利堤防水泥搅拌桩加固效果，采用Slide 有限元软件进行数值计算，模型具体见图1。采用Bishop法进行计算，桩和土采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型。在所构建的模型中边坡高5m，坡度1∶2，总共设置7排水泥搅拌桩；土质边坡容重16.80 kN/m3，压强10 kN/m2，内摩擦角8.50°；水泥搅拌桩容重18.7 kN/m3，压强125 kN/m2，内摩擦角25°。堤身土体渗透系数5×10-7m/s，因该水利工程堤防加固水泥搅拌桩通常采用散点布置形式，故对采取水泥搅拌桩加固后的堤身渗透系数进行折减处理，按照1×10-7m/s取值。

针对水泥搅拌桩不同桩径、压强及内摩擦角，提出以下工况（见表1），以探究桩长、桩径、黏聚力、内摩擦角等参数对堤防加固施工效果的影响，考虑到堤防加固以控制位移变形，确保堤坝稳定为主要目的，故在模拟过程中，以堤顶沉降位移和水平位移为主要评价指标。H1 和H2 工况主要分析的是桩径对堤顶沉降、水平位移及安全程度的影响，H1、H3、H4 则分析的是水泥搅拌桩黏聚力对堤顶沉降、水平位移及安全系数的影响；H1、H5、H6研究的是水泥搅拌桩内摩擦角的影响程度。

表1 堤防加固数值模拟计算工况表

3 结果分析

3.1 加固方案的适用性

根据表1 中分析结果，在未设置水泥搅拌桩的情况下，堤身抗滑稳定安全系数仅为1.97，采取水泥搅拌桩加固措施后安全系数取值明显增大。其中H1工况下，水泥搅拌加固深度从0 m依次增大至14 m、16 m、18 m、20 m、22 m，则安全系数依次提升44.65%、31.17%、18.41%、11.62%和11.62%。通过对水泥搅拌桩加固后堤防边坡稳定计算结果云图的分析看出，加固措施采取后边坡滑弧深度呈减小趋势，桩前土体失稳是主要破坏模式，堤防边坡稳定性可大大提升。

3.2 加固深度的影响

为简化分析，可以将水泥搅拌桩加固深度和桩长视为同一参数。不同加固深度下堤身水平位移和沉降位移变化量相对值具体见图2。由图中结果可以看出，加固后的堤防水平位移及沉降位移相对变化量曲线虽呈增长趋势，但增速逐渐减缓，说明水平和沉降位移均随桩长增大而减小。当桩长从14 m增大至16 m，沉降位移和水平位移依次降低15.60%和24.10%；当桩长从14 m增大至18 m，沉降位移和水平位移依次降低27.20%和30.70%；此后随着桩长的增大，降低幅度依次减小。出于经济性和工程性能的综合考虑，该堤防加固工程应将桩长确定为18 m。

图2 加固深度对相对位移变化量的影响图

这一结论与表1 中所模拟的水泥抗滑桩设计加固深度与堤身抗滑稳定安全系数的关系一致，即随着桩体加固深度的增大堤身抗滑稳定安全系数的增长幅度持续降低。结合模型，该水利水电工程堤防边坡设计高度为5 m，故在边坡高度范围内增大桩径能显著提升边坡稳定性。基于此角度出发，可在该堤防边坡加固过程中使用钉型水泥搅拌桩，并增大边坡坡脚以上部分的桩径。在桩长16 m 以内，无论桩径取0.50 m 还是1 m，堤身抗滑稳定安全系数均随桩长的增大而大幅增加。当桩长超出16 m 后，滑弧位置和滑弧深度均不再随桩长的改变而改变，说明出于堤防边坡抗滑稳定的角度，水泥搅拌桩存在有效桩长，一旦超出此值，堤身抗滑稳定安全系数随水泥搅拌桩桩长的增大不增反降。

3.3 桩身强度影响

桩身强度主要因水泥掺量、水泥强度等级、地基含水率、外掺剂等不同而存在差异，这种差异在Mohr-Coulomb强度准则上主要表现为压强和内摩擦角两个参数取值上。为进行桩身强度对堤防边坡稳定影响程度的分析，将压强和内摩擦角两个参数分别折减20%和50%，并进行数值模拟。根据模拟结果，当桩长不足16 m时，水泥搅拌桩压强将从125 kN/m2降低至100 kN/m2，堤身抗滑稳定安全系数小幅降低；而当桩长超出16 m后，堤身抗滑稳定安全系数不再变化；当水泥搅拌桩压强继续下降至65.50 kN/m2时，在设计桩长范围内，安全系数继续呈减小趋势。表明，堤防边坡压强的变化仅影响安全系数，不影响有效桩长。

当桩长不足16 m时，堤身抗滑稳定安全系数随水泥搅拌桩内摩擦角的减小而呈减小趋势，而桩长超出16 m后，不同内摩擦角下堤身抗滑稳定安全系数取值相同。表明，内摩擦角的改变主要在边坡高度范围内影响安全系数，而对有效桩长并无影响。

3.4 桩间距的影响

根据对不同桩间距下堤顶沉降位移和水平位移加固效果模拟结果（图3）的分析，随着桩间距从0.80 m增大至1.40 m，堤顶沉降位移和水平位移增大幅度较小，且桩间距越小，位移绝对值也越小；而当桩间距从1.40 m 增大至1.60 m，则沉降位移和水平位移快速增大。模拟结果说明，水泥搅拌桩桩间距的减小能提升堤防结构整体性和加固效果，但是此时造价和施工成本也随之增大。综合考虑施工成本和加固效果，将水泥搅拌桩桩间距设置为1.40 m。

图3 桩间距对相对位移变化量的影响图

3.5 桩排数的影响

不同桩排数下堤顶沉降和水平位移相对变化量取值见图4，右图可知，在桩排数为4 排时，堤顶沉降位移和水平位移增幅最大，此后随着桩排数的增加，沉降位移和水平位移增幅均呈降低趋势，到桩排数为7 排时基本达到稳定；且堤顶沉降位移增大幅度比水平位移大。分析结果也说明，水泥搅拌桩排数的增多能使堤防整体性提升，达到控制位移变形的目的。水泥搅拌桩桩排数从4排增大至8排时，沉降变形和位移变形整体降低幅度仅为7%，这说明桩排数的增多对沉降位移和水平位移的控制作用相当有限。桩排数从4排增加至6排时沉降位移和水平位移降低幅度最大，分别为34.90%和28.10%。为保证加固效果和工程经济性，应将桩排数确定为6排。

图4 排数对相对位移变化量的影响图

4 结论

综上所述，水泥搅拌桩不失为加固效果良好的水利水电堤防软弱地基处理技术，该技术能有效提升赣州市某水利水电工程斜坡式堤身抗滑稳定安全系数，缩小滑动范围和滑弧深度。充分考虑水泥搅拌桩桩长、桩间距、桩身强度、桩排数等对堤顶沉降位移、水平位移及加固效果所存在的影响，经过模型试验将该工程堤顶水泥搅拌桩有效桩长确定为16 m，最佳桩间距确定为1.40 m，桩排数确定为6排；水泥搅拌桩压强和内摩擦角对堤身抗滑稳定安全系数的影响受到桩长限制，且其改变对有效桩长影响不大。按照此研究所提出的方案进行赣州市某水利水电工程斜坡式堤身水泥搅拌桩加固后，堤防整体性和稳定性均明显提升。