水泥搅拌桩加固堤防数值模拟分析

陆鹏源

（中山火炬高技术产业开发区水利所，广东 中山，528437）

0 引言

随着城市化进程的快速发展，大量硬底化设施的建设导致汇入河道的雨水增加，加之近年台风暴雨频发，许多堤防已不满足当前防洪（潮）要求，亟待加高加固处理[1，2]。水泥搅拌桩是通过搅拌桩机使水泥与土体发生系列反应，使软土硬结而提高地基强度的地基处理方法，因其具有施工速度快、质量易控制、造价低等优点，在软土地基加固应用中得到了广泛应用与关注[3-5]。

目前，很多专家学者对水泥搅拌桩加固地基进行了研究，如张庆萍[6]、郑英国[7]、郭涛[8]、刘灼华[9]等依托具体工程对堤防加固中水泥搅拌桩的布置方式、桩长等参数进行了优化研究，有效降低了工程造价。段继伟等[10]通过现场足尺试验研究了水泥搅拌桩的荷载传递规律，发现桩顶荷载传到桩端的比例小，桩体的受力与变形主要集中在临界桩长深度范围。曾友金等[11]采用极限承载力控制法得出了水泥搅拌桩有效桩长的计算公式，并分析了多个因素对水泥搅拌桩有效桩长的影响，发现除土层泊松比外，刚度系数、桩径等因素均对有效桩长有一定或较大的影响。郑刚等[12]结合模型试验和有限元方法研究了软土层中水泥搅拌桩的荷载传递，认为基础、桩长和垫层对水泥搅拌桩复合地基的荷载传递有较大影响。鉴于水泥搅拌桩在软基加固应用中的重要性与广泛性，对其仍有待进一步的研究。

本文采用有限元方法对水泥搅拌桩加固堤防的可行性进行了分析，并研究了桩长、桩径以及桩体强度参数c、φ对堤防抗滑稳定安全系数的影响，可为水泥搅拌桩加固堤防设计提供参考依据。

1 计算模型与工况

1.1 计算模型

为了对水泥搅拌桩加固堤防影响因素进行研究分析，本文采用基于极限平衡分析方法的岩土工程弹塑性有限元分析软件Slide进行了数值计算，计算模型如图1所示。计算过程中采用毕肖普法，桩和土均采用摩尔-库伦弹塑性模型。

图1 数值计算模型

如图1所示，边坡高5m，坡度为1：2，模型设置7排水泥搅拌桩，外江水位24m。边坡为均质土坡，容重γ=17kN/m3、c=10kN/m2、φ=8.5°；水泥搅拌桩容重 γ=19 kN/m3、c=125kN/m2、φ=25°。堤身土层渗透系数k=5×10-7m/s，考虑到实际堤防加固中水泥搅拌桩一般为散点布置，参考曹依雯[13]等人的研究结果，基桩基本不影响渗透系数大小的数量级，本文对增加水泥搅拌桩后堤身渗透系数进行折减，取值1×10-7m/s。

1.2 计算工况

本文对不同桩径与c、φ参数下六个工况进行了数值计算，每个工况均研究了不同桩长的影响，如表1所示。M1与M2两组研究了桩径的影响，M1、M3与M4三组研究了水泥搅拌桩粘聚力c的影响；M1、M5与M6三组研究了水泥搅拌桩内摩擦角φ的影响。以上工况仅对水泥搅拌桩相关参数对边坡稳定安全系数的影响规律进行分析。

表1 计算工况与安全系数计算结果

2 计算结果分析

2.1 水泥搅拌桩加固堤防可行性分析

如表1所示，堤身在未加固状态下抗滑稳定安全系数为1.969，经过搅拌桩加固，安全系数大幅增加。以M1工况为例，增加5m长水泥搅拌桩加固措施，安全系数提高35.6%。图2（a）与2（b）分别为无加固措施与桩长5m条件下边坡稳定计算结果云图，如图所示，采用搅拌桩加固后，边坡滑弧深度有所减小，滑弧上顶点向临水侧方向移动，破坏模式调整为桩前土体失稳。此外，如图3所示，增加5m长水泥搅拌桩后，边坡内部剪应力大幅减小，从而提高了安全系数。

图2 边坡稳定安全系数及滑弧计算结果（以M1组模拟为例）

图3 边坡内部剪应力计算结果

桩长达到10m及以上时，边坡安全系数比无加固措施工况提高41.1%。由此可知，水泥搅拌桩可以实现提高堤防边坡稳定性的目的，具体工程设计可以通过调整水泥掺量、外加剂种类与掺量以及水泥强度等级等参数使安全系数达到相关规范要求。

2.2 影响因素分析

2.2.1 桩径与桩长的影响

本文分析了直径为0.5m与1.0m两种桩径下不同桩长的水泥搅拌桩对边坡安全系数的影响，桩长从0m逐步增加到12m，结果如图4所示。由图4可知，安全系数随着桩径的增大，边坡安全系数增大。当桩长为5m时，安全系数随着桩径增大的增幅最大，为8.8%。随着桩长的继续增加，安全系数的增幅有所减小，直至桩长达到10m增幅不变。结合模型来看，边坡高度正好为5m，由此可见，在边坡高度范围内增加桩径对提高边坡稳定性的作用较大。根据该特性，在堤防加固过程中可考虑采用新型钉型水泥搅拌桩，在边坡坡脚以上部分扩大桩径。

图4 水泥搅拌桩桩径与桩长对安全系数的影响

当桩长小于10m时，不管桩径为0.5m还是1.0m，边坡安全系数均随着桩长的增加而增大，但达到10m后继续增加桩长不改变安全系数。此外，桩长超过10m后，滑弧位置以及深度不随桩长变化而改变。由此可见，从边坡抗滑稳定角度来看，水泥搅拌桩存在一个“有效桩长”，超过这个值后，边坡抗滑稳定安全系数不随搅拌桩桩长的增加而增大。因此，在堤防加固设计中，搅拌桩长度不应超过“有效桩长”，以免造成资金浪费。

2.2.2 桩身强度的影响

水泥掺量、外加剂、地基含水率以及水泥强度等级等不同均会引起桩身强度的差异，而桩身强度的差异在摩尔-库伦强度准则上主要体现在c、φ两个参数的不同。为研究其对边坡稳定的影响，本文分别对c、φ折减20%与50%后进行数值计算，结果如图5（a）与5（b）所示。

图5 水泥搅拌桩c、φ对安全系数的影响

由图5（a）可知，当桩长小于10m，c从125kN/m2减小到100kN/m2时，边坡稳定安全系数有所减小。但是当桩长达到10m及以上时，安全系数相同。当c继续减小到62.5kN/m2时，在12m以内的桩长范围，边坡安全系数均减小。此外，改变c值仅改变了安全系数峰值，不影响文中所述的“有效桩长”。由图5（b）可知，当桩长小于5m，边坡安全系数随着φ值减小而略有减小，但桩长在5m及以上时，三组φ值不同而安全系数相同。可见，在一定范围内，φ主要在边坡高度范围对安全系数产生影响，并且改变内摩擦角不影响“有效桩长”。

3 结论

水泥搅拌桩是一种具有良好加固效果的软弱地基处理方法，在水利工程中应用广泛。本文采用有限元方法对水泥搅拌桩加固堤防的可行性进行了分析，并研究了桩长、桩径以及桩体强度参数c、φ的影响，主要结论如下：

（1）增加水泥搅拌桩加固措施可有效提高堤身抗滑稳定安全系数，减小滑弧深度以及滑动范围。

（2）堤身安全系数随着水泥搅拌桩桩径与桩长的增大而增大，在抗滑稳定的角度上，水泥搅拌桩存在一个“有效桩长”，超过该长度后，继续增大桩长不改变堤身安全系数。

（3）在一定范围内，随着水泥搅拌桩c、φ的减小，堤身安全系数减小，但其影响受桩长的限制。c、φ的改变不影响“有效桩长”。