水泥土连拱抗滑墙加固结构优化研究

仲曼,蒋红俊,梁音,李琴琴(．镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 000; ．河海大学岩土工程研究所,江苏南京 0098)

水泥土连拱抗滑墙加固结构优化研究

仲曼1∗,蒋红俊1,梁音2,李琴琴2
(1．镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 212000; 2．河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098)

摘 要:水泥土连拱抗滑墙加固软基边坡,能够充分发挥水泥土抗压能力和抗剪能力,同时从机理上避免弯折效应而又能有效消除随机劣质层的影响。本文对水泥土连拱抗滑墙加固结构的工作性状进行了系统的研究,探讨了加固结构设计参数的变化对边坡抗滑效果的影响。分析了墙厚、连拱抗滑墙进入硬土层深度、抗滑墙长度等参数对加固效果的影响,为工程应用提供了理论指导。

关键词:水泥土连拱抗滑墙；软基边坡；失稳破坏模式；性状分析

1　引 言

水泥土搅拌桩法常用于加固软弱地基,是一种较为常用的地基处理方法。它是利用水泥作为固化剂,通过深层搅拌机械钻进时往软土中喷射雾状粉体或浆液,在地基深处将软弱土固化成为具有足够变形模量、强度和稳定性的水泥土。根据固化剂掺入状态的不同,可将其分为浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种(即常说的湿喷和干喷)[1]。在厦门国际大厦基坑加固[2]和马钢港务原料场火车汽车地下受料槽[3]的工程应用中已经取得了较好的经济效益、效果良好。

文献[4]对比分析了南水北调金湖站河堤边坡不同的加固方案,研究表明水泥土连拱抗滑墙在加固边坡中优于水泥土搅拌桩复合地基,并分析了水泥土连拱抗滑墙的受力机理。

为了在工程中更加充分地发挥水泥土连拱抗滑墙搅拌桩的优越性,使该结构达到施工方便、经济合理的目的,同时使材料利用更加合理经济,现对该加固结构工作性状进行对比分析。在保证边坡稳定前提下,利用数值计算的优势,对连拱抗滑墙的结构进行优化研究。

2　算例设计

水泥土连拱抗滑墙的结构设计参数:连拱抗滑墙进入硬土层深度H、水泥土搅拌桩抗滑墙长度L、墙厚(桩径)d,如图1所示。

为了充分研究以上参数对加固效果的影响,本文设计了以下算例,在各个算例中,水泥土搅拌桩和边坡的参数取值同文献[4]。水泥土搅拌桩连拱抗滑墙设计参数如表1所示。

图1　水泥土搅拌桩连拱抗滑墙平面图

水泥土连拱抗滑墙设计参数 表1

在以上计算模型中,仍取半跨加固结构分析,仅考虑半跨的结果,半跨长度为3 m。

为了充分研究边坡加固效果随参数变化的情况,降低其他次要因素的干扰,在分析中仅研究边坡及加固结构的关键值的响应情况。

搅拌桩是由具有一定刚度的脆性材料所构成,其抗拉强度要比抗压强度小得多,在工程中要充分发挥抗压强度高,回避抗压强度低的特点;土体水平侧移、沉降是加固效果考虑的重要指标,它直接影响到周边建筑物、道路和地下管线的安全,尤其在软弱土地基加固时,更要严格其变形;河岸、堤防和道路等软基边坡工程的加固处理最重要的问题是提高坡体整体抗滑稳定性[5]。具体从变形、受力、安全系数等几个方面,对加固效果进行分析。其中关键因素包括:①拱墙截面受到的最大压应力σc,max(kPa);②边坡体内最大侧移(cm);③边坡顶部最大沉降(cm);④边坡破坏时整体安全系数F;⑤边坡破坏时塑性区变化情况。

3　计算结果及分析

3．1墙厚的影响

随着墙厚的增大,抗压截面增大,拱墙的最大压应力减小,虽不利于水泥土的抗压性能的充分发挥但是却满足抗压强度要求;搅拌桩是由具有一定刚度的脆性材料所构成,其抗拉强度要比抗压强度小得多,在工程中要充分发挥抗压强度高,回避抗拉强度低的特点。那么墙厚只要使得水泥土最大拉应力控制在极限拉应力范围内即可。如图2、图3所示:

图2　拱体最大压应力随墙厚变化曲线图

图3　拱墙最大剪应力随墙厚变化曲线图

随着墙厚的增大,连拱抗滑墙的抗剪刚度增加,墙的剪应力显著减小。那么在其他条件不变的情况下,墙厚的增大可以有效防止连拱抗滑墙发生剪切破坏。如图4、图5所示:

图4　坡内土体最大侧移随墙厚变化曲线图

图5　边坡顶土体最大沉降随墙厚变化曲线图

随着墙厚的增大,增大了墙体抗侧移滑动刚度,边坡水平侧移、竖向沉降显著减小。那么在其他条件不变的情况下,墙厚的增大能有效控制边坡变形。如图6、图7所示:

图6　边坡整体安全性随墙厚变化曲线图

图7　边坡破坏时塑性贯通区随墙厚变化图

随着墙厚的增大,边坡整体安全稳定性系数提高显著且超过规范要求的边坡允许抗滑安全系数。从经济性角度来看,墙厚不宜过大只要满足抗滑要求即可。

3．2连拱抗滑墙进入硬土层深度的影响

随着连拱抗滑墙进入硬土层深度的增大,连拱抗滑墙承受的荷载增大从而引起压应力的增大,但是没有超出水泥土的极限压应力,进入硬土层深度的增大有利于连拱抗滑墙有效发挥水泥土抗压特性;同时,随着抗滑墙进入硬土层深度的增加,增大了抗滑墙的抗弯折能力,能够避免水泥土搅拌桩身发生拉裂破坏。如图8、图9所示:

随着连拱抗滑墙进入硬土层深度的增大,硬土层分担的水平推力增大,拱体最大剪应力逐渐增大。如图10、图11所示:

图8　拱体最大压应力随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化曲线图

图9　拱体最大剪应力随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化曲线图

图10　坡内土体最大侧移随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化曲线图

图11　边坡顶土体最大沉降随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化曲线图

随着连拱抗滑墙进入硬土层深度的增大,抗滑能力增强,边坡水平侧移、竖向沉降都显著减小。这说明连拱抗滑墙进入硬土层深度越大,控制边坡变形越显著。如图12所示:

图12　边坡整体安全性随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化曲线图

随着连拱抗滑墙进入硬土层深度的增大,安全性系数显著增加。当连拱抗滑墙进入硬土层深度从0．5 m增加到2 m时,连拱抗滑墙抗滑效果呈直线增加,这是由于硬土层分担的水平推力随着进入硬土层深度的增大而增加;当进入硬土层深度达到并超过2 m时,安全可靠性小幅度增加,这是由于进入硬土层深度增加到一定值时,硬土层分担的水平推力达到最大。这说明连拱抗滑墙通过插入硬土层一定深度,硬土层分担软土层所受的水平推力,从而实现软基边坡中的抗滑机理。

从图13中还可以看出,连拱抗滑墙进入硬土层深度进入1 m时即可满足规范所规定的抗滑要求[6]。连拱抗滑墙是通过进入硬土层足够的深度来保障其抗滑性,相比传统型水泥土搅拌桩,其进入硬土层深度明显减小。

图13　边坡破坏时塑性贯通区随连拱抗滑墙进入硬土层深度变化图

当H＜1 m时,剪切破坏塑性贯通区沿着软硬土层交界面发生。当H≥1 m时,剪切破坏塑性贯通区沿着拱墙下端硬土层发生。随着连拱抗滑墙进入硬土层深度的增大,边坡失稳塑性贯通区逐渐向硬土层发展。

3．3抗滑墙长度的影响

随着抗滑墙长度的增大,抗压截面增大,拱墙最大压应力略微下降;连拱抗滑墙整体的抗弯截面增加。那么连拱抗滑墙长度的增加能有效发挥水泥土抗压强度高,回避抗拉强度低的特点。如图14、图15所示:

抗滑墙长度的增加增大了水泥土连拱抗滑墙的抗剪截面,在受到相同荷载条件下,拱体最大剪应力逐渐减小。如图16、图17所示:

图14　拱体最大压应力随抗滑墙长度变化曲线图

图15　拱墙内最大剪应力随抗滑墙长度的变化曲线图

图16　坡内土体最大侧移随抗滑墙长度变化曲线图

图17　边坡顶土体最大沉降随抗滑墙长度变化曲线图

随着抗滑墙长度的增大,边坡的侧移和沉降略微减小。因此增加抗滑墙长度并不能显著控制边坡的水平位移和竖向沉降。如图18、图19所示:

图18　边坡整体安全性随抗滑墙长度变化曲线图

图19　边坡破坏时塑性贯通区随抗滑墙长度变化图

随着抗滑墙长度的增大,边坡安全性的提高效果显著。

由图可知,随着抗滑墙长度的增大,安全稳定性增加显著而塑性贯通区的变化不明显。这是由于抗滑墙长度的增加增大了连拱抗滑墙与硬土层的接触摩擦力,那么硬土层即能承担更多的水平推力。

4　结 论

通过分析水泥土连拱抗滑墙加固结构各设计参数的改变情况下各响应值变化规律,主要得到了以下结论:

连抗滑墙进入硬土层深度和抗滑墙的长度的增加能使水泥土抗压强度高的特性得到充分发挥,同时能避免桩身发生拉裂破坏。

要充分发挥水泥土抗压性能同时避免桩身发生拉裂破坏,墙厚不宜太大,墙厚取值只要达到使得水泥土最大拉应力在极限拉应力范围内即可。

抗滑墙长度和墙厚的增加都能使得连拱抗滑墙的剪应力显著减小。

连抗滑墙进入硬土层深度、墙厚的增加都能有效控制边坡变形,其中连抗滑墙进入硬土层深度这一参数影响最为明显。

连抗滑墙进入硬土层深度、墙厚、抗滑墙长度的增加都能有效提高边坡的安全性。其中连拱抗滑墙进入硬土层深度和抗滑墙长度对边坡安全性来说是最关键的影响参数。

连拱抗滑墙是通过进入硬土层足够的深度和接触摩擦力来保障其抗滑性,相比传统型的水泥土搅拌桩,其进入硬土层深度明显减小。

参考文献

[1] 林靖,李超,左宇宁．基坑工程手册[M]．西安:中国建筑工业出版社,2009．

[2] 卓丛权,李孟生,高家海．连拱式组合拱结构基坑支护技术在工程中的应用与实践[J]．勘察科学技术,2004,3: 37～41．

[3] 曹福杰．水泥土搅拌桩拱形坝体在软土深基坑支护中的应用[J]．建筑技术,1999,30(2):98～99．

[4] 仲曼,蒋红俊,梁音等．水泥土连拱抗滑墙加固软基边坡的应用研究[J]．城市勘测,2014(5):167～171．

[5] 李琴琴．水泥土搅拌桩连拱抗滑墙在软基边坡加固中的应用研究[D]．南京:河海大学,2012．

[6] GB50330-2002．建筑边坡工程技术规范[S]．

Research on Reinforcement Structure Optimization of the Cement-soil Arched Walls

Zhong Man1,Jiang Hongjun1,Liang Yin2,Li Qinqin2
(1．Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute,Zhenjiang 212000,China; 2．Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Abstract:A new structure of cement-soil mixing pile is raised to improve the anti-slide reinforcement of soft ground embankment．The cement-soil arched walls embedded in the soft subsoil will transfer lateral forces in reasonable ways．Detailed research shows that the structure of arched walls can greatly increase slope stability and reliability．A systematic behavior analysis of the cement-soil arched walls is carried out to study the influence of the variation of structural design parameters to the retaining effeets．The factors such as pile diameter,depth of arched walls into the hard soil,length of the sliding wall ,are taken into account to analyze the retaining effeet．Through the analysis ,the reasonable values for these parameters are pointed out which can be applied as a theoretical guide for engineering practice．

Key words:cement-soil arched walls;soft-based embankment;instability and failure mode;character analysis

文章编号:1672-8262(2015)05-163-05中图分类号:TU472．3

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—06—01

作者简介:仲曼(1986—),男,硕士,助理工程师,主要从事岩土工程勘察及岩土设计等技术工作。