吴达烽

(博罗县水务科学研究所，广东 博罗 516100)

广东属于沿海地区，河流众多，需要修建许多穿堤、穿坝建筑物以满足当地的防洪、排涝和灌溉需要，而这些穿堤、穿坝建筑很多都修建在软土地区，很容易发生不均匀沉陷、结构裂缝和滑移破坏，导致建筑物发生破坏[1- 3]。涵管是最常见的坝下建筑物之一，由于建设年代久远等原因，许多坝下建筑物都面临着加固改造，在实际施工过程中，由于施工速度过快或者降雨等原因，导致回填土抗剪强度不足，陆续出现多起坝下涵管倾倒、不均匀沉降、滑坡等质量问题，影响了整个堤坝的安全性，特别是高回填土方坝下涵管结构的受力变形更加复杂，一旦发生工程事故，将带来极大的人员财产损失[4- 6]。因此，有必要对高填方坝下涵管结构的受力变形规律进行详细分析，以期能为工程设计、施工提供借鉴。

1 工程概况

某水闸堤坝始建于20世纪70年代，高程为42.45m，长度为74.6m，底板高程为29.42m，口径为孔×高×宽=1×1.5m×1.5m，坝基土主要以淤泥、淤泥质土以及砂土等软土为主。由于建设年代久远，水闸出现了不同程度的不均匀沉降、裂缝和滑移，影响到结构的整体稳定性，故需要对其进行加固改造。加固改造后的坝顶高程和底板高程不变，长度增加至77m，口径变为孔×高×宽=1×1.4m×1.8m，坝下涵管及两侧八字墙均采用C20混凝土浇筑，待养护达到设计强度之后，开始在涵身上回填土，土方回填高程达到38.4m，很容易造成涵管及八字墙出现滑移险情，故需要在施工前对涵管结构的受力变形进行分析。

2 数值模型建立

2.1 几何模型

采用ABAQUS数值模拟软件建立坝下涵管及八字墙模型[7- 8]，如图1所示。模型的几何长度为174m(河岸涵管一侧分别向西和向东延伸50m)，宽度为102.1m(涵管开挖线两侧延伸30m)，深度为70m(涵管以下30m，涵管以上40m)。涵管八字墙均采用线弹性本构模型，土体采用摩尔库伦本构模型，模型共包含286162个单元和157840个节点。模型在垂直边界上施加水平方向的约束，在水平底部的边界上施加垂直方向的约束。涵管C20的参数取值为：泊松比0.17，重度23.7kN/m3，黏聚力为20kPa，内摩擦角为57°，变形模量为22500MPa。

图1 ABAQUS几何模型

2.2 模拟方案

根据现场地质勘测资料和室内土工试验成果，获得了工程现场回填土抗剪强度参数随含水率的变化关系，为了模拟回填过程中因降雨或者施工时压实度不足所导致回填土可能出现的含水率情况，选取四种含水率对应的土体抗剪强度参数进行模拟分析，具体参数见表1。

表1 计算方案参数

2.3 计算过程

为了最大限制与现场实际回填施工过程相吻合，将涵管加固改造工程划分为7个步骤：第1步，朝天口开挖并将原涵管结构拆除；第2步，焊管基础粉喷桩施工；第3步，涵管基础垫层混凝土浇筑；第4步，进行新涵管C20混凝土浇筑；第5步，按照设计要求将土方回填至涵管顶面；第6步，进出口八字墙混凝土浇筑；第7步，将土方分层回填至设计标高38.4m。

3 结果分析

3.1 受力分析

不同土体抗剪强度参数下的主应力极值模拟结果见图2。从图2可知：在方案一、二、三、四情况下，涵管的第一主压力分别为-5.66、-5.31、-6.49、-4.94MPa，方案三的最大主压力最大，其次为方案一，最小的为方案四，涵管的第一主拉力分别为2.81、2.89、2.6、0.16MPa；回填土抗剪强度参数改变，对涵管第一主压力的影响小于对主拉力的影响，随着抗剪强度参数的减小，第一主拉力最大值值逐渐减小，且当黏聚力10kPa、内摩擦角为6°(方案四)时，第一主拉力将大幅度降低；八字墙在方案一、二、三、四情况下，第一主压力分别为-5.36、-0.02、-0.21、-0.2MPa，当土体抗剪强度参数降低方案二以后，土体抗剪强度参数对八字墙第一主压力的影响将减小，最大第一主拉力分别为14.1、10.3、11.4、10.7MPa，当土体抗剪强度参数将至方案二以后，第一主拉力的变化将变小；回填土抗剪强度参数对八字墙第一主压力的影响大于第一主拉力。

图2 涵管、八字墙最大主应力模拟结果

3.2 变形分析

不同土体抗剪强度参数下的涵管、八字墙变形模拟结果如图3所示。从图3中可知：不同方案下涵管的竖向位移均大于八字墙的竖向位移，在方案一、二、三、四情况下，八字墙的竖向位移分别为-132.5、-130、-135.8、-131.8mm，土体抗剪强度参数对八字墙竖向位移的影响较小，在方案一、二、三、四情况下，涵管的竖向位移分别为-180、-197、-183、-177.4mm，当土体抗剪强度参数降至方案二时，涵管的竖向位移最大；不同方案下涵管的水平位移略大于八字墙的竖向位移，且两者的水平位移方向相反，在方案一、二、三、四情况下，八字墙的水平位移分别为-8、-7.5、-8.3、-7.7mm，回填土抗剪强度参数变化对八字墙水平位移的影响较小，在方案一、二、三、四情况下，涵管的水平位移分别为15、14.7、15.3、10.9mm，当土体抗剪强度参数降至方案三时，涵管的水平位移最大。

图3 涵管、八字墙最大位移模拟结果

3.3 塑性区体积

不同土体抗剪强度参数下回填土塑性区体积变化情况如图4所示。从图4中可知：在方案一下，塑性区体积为34.1m3，塑性区主要集中于第7节涵管上方，伸缩缝在涵管下沉和土体水平推力作用下产生张拉破坏；在方案二下，塑性区体积为40.1m3，塑性区体积较方案一增大17%，塑性区主要集中在第4、5节涵管和第7、8节涵管，在第4、5节涵管处发生剪切破坏，在第7、8节涵管处发生张拉破坏；在方案三下，塑性区体积为49.91m3，相较于方案一进一步增加，增大幅度为43%，在方案三下，土体塑性区由内部逐渐向边坡表面扩展，导致张拉破坏发生，这说明回填土抗剪强度降低会增大土体塑性区，土体剪切破坏和张拉破坏的体积增大，坝体稳定性明显降低；在方案四下，塑性区体积相比方案三有所减小，仅为44.15m3，这说明单纯的减小回填土抗剪强度参数，不会使塑性破坏区体积一直增大，当抗剪强度参数降低至某一值后，塑性破坏区的体积反而会减小，这主要是因为涵管在收到回填土边坡滑移趋势的影响下，涵管所受的水平方向推力将逐渐增大，会平衡掉一部分因沉降而产生的压应力，而且回填土会产生一定的水平方向滑动，导致涵管中段所受的土体荷载(土压力)减小，故而张拉破坏区域体积也会随之减小。

图4 不同方案下塑性破坏区体积

3.4 抗滑稳定性

不同方案下的抗滑稳定安全系数对比如图5所示。从图5中可知：当黏聚力20kPa、内摩擦角为16°时，涵管和八字墙的抗滑稳定安全系数为3.99，抗滑稳定性良好，此时涵管及八字墙主要受主动土压力的影响；当黏聚力16kPa、内摩擦角为12°时，涵管和八字墙的抗滑稳定安全系数降至2.134，安全系数降幅达到46.5%，这是因为由于土体抗剪切强度参数降低会导致下滑推力，下滑推力会增大涵管及八字墙发生水平向滑移的概率；当黏聚力12kPa、内摩擦角为7°时，涵管和八字墙的抗滑稳定安全系数仅为1.768，抗滑稳定性较差，因抗剪强度参数下降产生的下滑力进一步增加，虽然不足以完全克服阻力使整体发生滑移破坏，但破坏概率进一步增大；当粘聚力10kPa、内摩擦角为6°时，涵管和八字墙的抗滑稳定安全系数为0.917，安全系数低于1，表明涵管及八字墙极可能发生滑移破坏。

图5 不同方案下抗滑稳定安全系数

4 结语

(1)抗剪强度参数对涵管竖向位移和水平位移的影响大于八字墙，但并不是抗剪强度参数越低，变形越大，八字墙在方案三时，竖向位移和水平位移最大，涵管在方案二时竖向位移最大，在方案三时水平位移最大。

(2)塑性区体积随抗剪强度参数降低呈先增大后减小的变化特征，当在方案三时，塑性破坏区体积最大。

(3)当抗剪强度参数降至方案三时，抗滑稳定安全系数将低于2，施工过程中需要控制土体抗剪强度参数不能低于方案二。

(4)土体具有一定的流变性，在实际填筑过程中应该考虑时间效应的影响，才更能反应实际情况，这将在今后做进一步补充研究。