復(fù)合加筋排水褥墊加固軟基影響因素及路堤穩(wěn)定性分析

蔡曉光，劉漢龍，范麗遠(yuǎn)

(1.防災(zāi)科技學(xué)院 防災(zāi)工程系，河北 三河 065201;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京210098;3.中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080)

排水固結(jié)法是處理軟土地基的有效方法之一。為了加速排水固結(jié)作用進(jìn)程，在預(yù)壓前往往先在地基中設(shè)置排水通道，包括豎向的塑料排水帶、水平向的砂墊層等。而在我國東部沿海地區(qū)，由于部分地區(qū)砂土比較缺乏，給軟基加固工程的順利進(jìn)行帶來諸多不便。基于此，同時具有水平排水和加筋作用的復(fù)合加筋排水褥墊應(yīng)運而生[1]，其平面布置如圖1，加固軟土路基示意如圖2。已有研究結(jié)果表明[2]:復(fù)合加筋排水褥墊可以有效滿足水平排水要求，另外與傳統(tǒng)的水平排水砂墊層相比，該技術(shù)可降低地基附加正應(yīng)力和超孔隙水壓力，有效抑制路基側(cè)向變形的發(fā)展，減小路基沉降與不均勻沉降，提高路基穩(wěn)定性，加筋效果顯著，施工安裝方便、效率高。

圖1 復(fù)合加筋排水褥墊示意

本文進(jìn)一步對復(fù)合加筋排水褥墊加固軟土路基技術(shù)性能進(jìn)行探討，包括采用該技術(shù)的加筋效果影響因素、加固地基后路堤的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

圖2 復(fù)合加筋排水褥墊加固軟土路基示意

1 復(fù)合加筋排水褥墊技術(shù)介紹

復(fù)合加筋排水褥墊技術(shù)適用于排水固結(jié)軟基加固工程。該褥墊可以代替水平排水砂料墊層，并且對路堤有加筋作用(圖1)，包括 ①條狀塑料褥墊;②針刺無紡布;③連接槽;④扒釘。該復(fù)合排水褥墊特征是:選用聚丙烯原料，在高溫下熱溶后通過模具擠出1 mm直徑的塑料細(xì)絲，塑料細(xì)絲互相纏繞(如方便面形狀)形成矩形截面的條狀排水褥墊①，排水褥墊①外包針刺無紡?fù)凉げ饥?。在條狀排水褥墊①上面打孔形成連接槽③以便于打設(shè)于地基中的塑料排水板插入。通過扒釘④使條狀塑料褥墊①連接成井字形狀的復(fù)合加筋排水褥墊。軟土地基固結(jié)時，地基孔隙水經(jīng)由塑料排水板、條狀加筋排水褥墊排出加固區(qū)外。條狀塑料褥墊的斷面形式及材料參數(shù)見圖3和表1[3]。

復(fù)合加筋排水褥墊施工順序如下:(1)平整路基場地，清除地面樹干、樹根及突出物，排水板施工機(jī)具就位;(2)塑料排水板施工;(3)沿路堤縱向、橫向鋪設(shè)條狀塑料褥墊，使排水板插入連接槽中;(4)在條狀塑料褥墊縱橫交接處，安裝扒釘使條狀塑料褥墊連接成井字形狀的復(fù)合加筋排水褥墊;(5)路堤填筑。

圖3 條狀排水褥墊斷面形式

表1 SMJ150×50－2D矩形中空塑料褥墊主要特性指標(biāo)

2 土體和復(fù)合加筋排水褥墊本構(gòu)模型

2.1 土體模型

本文采用擴(kuò)展的Drucker－Prager模型來模擬路堤填土和淤泥質(zhì)黏土。路堤填土的排水固結(jié)過程采用Biot固結(jié)原理進(jìn)行計算。

2.2 復(fù)合加筋排水褥墊本構(gòu)關(guān)系

復(fù)合加筋排水褥墊具有抗壓承載、抗拉和滲透排水性能。在ABAQUS分析過程中，采用實體單元來模擬復(fù)合加筋排水褥墊抗壓與滲透性能，采用空間薄板單元模擬其抗拉性能。實體單元作為主區(qū)，空間薄板單元作為嵌入?yún)^(qū)通過界面約束命令嵌入到主區(qū)中，從而實現(xiàn)復(fù)合加筋排水褥墊層的模擬。

復(fù)合加筋排水褥墊一方面具有抗壓承載和滲透排水性能，另一方面具有抗拉性能[3]。在一般條件下，其抗壓與抗拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系處在彈性范圍之內(nèi)，故在分析過程中可以將其簡化為線彈性材料。

3 影響因素分析

3.1 計算條件

計算模型見圖 4[4]，路堤高度 5 m，坡比 1∶1.5，路基表面設(shè)置復(fù)合加筋排水褥墊層，排水板間距1.5 m正方形布置。為了方便計算，計算時對地基條件做了簡化，取10 m厚淤泥質(zhì)軟土，其下為基巖，地下水位位于地表處。為了分析復(fù)合加筋排水褥墊的排水與加筋效果，取0.5 m厚砂墊層軟土路堤為平行算例進(jìn)行對比分析。路堤施工過程見圖5[4]。施工過程路堤分5次加載，每層厚度為1 m，在30 d內(nèi)填筑，間歇期為30 d，工后計算固結(jié)時間為500 d。

圖4 路堤計算模型(單位:m)

圖5 加載時間歷程

表2 土體模型參數(shù)

土體模型采用D－P模型，參數(shù)見表2[4]。排水板滲透系數(shù)1.99 m/d，為簡化計算，排水板的密度和模型參數(shù)與同層土的相應(yīng)參數(shù)一致，即只考慮塑料排水板的排水作用，而不考慮打設(shè)塑料排水板帶來的地基剛度變化。砂墊層厚度0.5 m，采用線彈性模型計算。排水褥墊由塑料芯體和外包土工布濾膜復(fù)合而成。芯體選用截面尺寸為15 cm×5 cm的中空矩形塑料盲溝(SMJ150×50－2D)。復(fù)合加筋排水褥墊的排水能力由滲入排水褥墊的水流量和排水褥墊的排水流量兩者中的小值確定。根據(jù)試驗結(jié)果，排水褥墊芯體內(nèi)的水流處于符合伯努利定律的管流及符合達(dá)西定律的滲流之間的狀態(tài)[3]。本文計算中，為了方便計算，假設(shè)排水褥墊芯體符合達(dá)西定律，水力梯度 i取1%，排水褥墊取等效滲透系數(shù)為6.24 m/s。排水褥墊的計算參數(shù)見表 3[3]。計算模型考慮對稱性，橫向取路堤寬度的一半，沿路基縱向取一個排水板間距即1.5 m，地基土體和排水墊層以八結(jié)點四面體減縮積分孔壓單元(C3D8RP)進(jìn)行剖分，上部填土以八結(jié)點四面體減縮積分單元(C3D8R)進(jìn)行剖分，共劃分11 088個單元，13 741個結(jié)點。復(fù)合加筋排水褥墊層模型如圖6所示。

表3 復(fù)合加筋排水褥墊材料性能

圖6 復(fù)合加筋排水褥墊層

3.2 地基強(qiáng)度

設(shè)置復(fù)合加筋排水褥墊層改變了地基的應(yīng)力場和位移場，軟基模量大小對復(fù)合加筋排水褥墊層的加筋效果有著較大的影響。改變軟基模量為0.5 MPa、1 MPa和1.5 MPa，比較復(fù)合加筋排水褥墊層堤與砂墊層堤差異，計算結(jié)果見圖7。

圖7 地基模量與復(fù)合加筋排水褥墊層加筋效果的關(guān)系

由圖7可知，地基模量對路堤底部的豎向位移和堤趾垂線下地基深度的水平位移影響較大。施工結(jié)束時(第770 d)，軟基模量分別為 0.5 MPa、1 MPa和 1.5 MPa，復(fù)合加筋排水褥墊層堤與砂墊層堤相比，路堤底部中心的沉降分別減少了10.8%、7.2%和5.6%;堤趾垂線下最大側(cè)移分別減小了4.2%、4.8%和4.8%。這表明，復(fù)合加筋排水褥墊層對軟弱地基有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，地基越軟弱，復(fù)合加筋排水褥墊加筋效果越明顯。

3.3 填土高度

取路堤填土高度分別為3 m、5 m和7 m，比較復(fù)合加筋排水褥墊層堤與砂墊層堤的差異，計算結(jié)果見圖8。路堤底部沉降與堤趾垂線下側(cè)移隨著填土高度的增加而增大。當(dāng)路堤堆載結(jié)束時，填土高度分別為3 m、5 m和7 m，復(fù)合加筋排水褥墊層堤與砂墊層堤相比，路堤底部中心的沉降分別減少了24.2%，14.6%和6.9%，堤趾垂線下最大側(cè)移分別減小了5.5%、2.9%和0.3%?？梢娐返谈叨仍叫?，復(fù)合加筋排水褥墊層的加筋作用越明顯。

3.4 軟土層厚度

圖8 填土高度與復(fù)合加筋排水褥墊層加筋效果的關(guān)系

圖9 軟土層厚度與復(fù)合加筋排水褥墊層加筋效果的關(guān)系

由圖9可知，在不同軟土層厚度條件下，復(fù)合加筋排水褥墊堤較砂墊層堤路堤底部沉降與堤趾垂線下側(cè)移均有不同程度的減小。當(dāng)路堤堆載結(jié)束時，軟土層厚度分別為5 m、10 m和20 m，復(fù)合加筋排水褥墊層堤與砂墊層堤相比，路堤底部中心的沉降分別減少了0.2%、14.6%和4.9%，堤趾垂線下最大側(cè)移分別減小了3.0%、2.9%和2.1%。對于中等(軟土厚10 m)和深厚軟土地基(軟土厚20 m)，采用復(fù)合加筋排水褥墊層有效限制了軟土地基的沉降，對軟土的側(cè)向位移也有一定的效果。復(fù)合加筋排水褥墊層對于中等和深厚軟土地基的加筋效果更明顯。

4 復(fù)合加筋排水褥墊技術(shù)穩(wěn)定性分析

為了分析復(fù)合加筋排水褥墊對路堤邊坡穩(wěn)定的影響，利用強(qiáng)度折減彈塑性有限元計算方法對復(fù)合加筋排水褥墊軟土路堤邊坡進(jìn)行分析，計算結(jié)果與砂墊層軟土路堤進(jìn)行對比。計算算例的幾何尺寸見圖10[5]，土體選用 Mohr－Coulomb模型，計算參數(shù)見表4。三維計算模型厚度方向取1.5 m，土體以八結(jié)點四面體單元進(jìn)行剖分，共劃分12 588個單元，16 540個結(jié)點。

圖10 復(fù)合加筋排水褥墊層加固路堤邊坡斷面(單位:m)

表4 土體模型參數(shù)

圖11為路堤特征節(jié)點無量綱水平位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系曲線。由圖11可見，復(fù)合加筋排水褥墊加固路堤的邊坡安全系數(shù)為1.617;而采用傳統(tǒng)砂墊層加固路堤的邊坡安全系數(shù)為1.535，邊坡加固后的安全系數(shù)提高了5.3%，加筋效果良好。

圖11 特征節(jié)點無量綱水平位移與強(qiáng)度折減系數(shù)的關(guān)系

圖12為迭代計算不收斂時，砂墊層路堤與復(fù)合加筋排水褥墊路堤等效塑性應(yīng)變分布。由圖12可見，迭代計算不收斂時，砂墊層路堤堤趾處有塑性集中區(qū)出現(xiàn)。設(shè)置復(fù)合加筋排水褥墊后，加強(qiáng)了路堤上部填土的整體性，改變了破壞時路堤的塑性應(yīng)變分布，塑性應(yīng)變自堤趾到堤肩貫通，呈帶狀分布，該塑性應(yīng)變帶即為相應(yīng)的最危險潛在滑動面。

圖12 迭代計算不收斂時等效塑性應(yīng)變分布

5 復(fù)合加筋排水褥墊技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

復(fù)合加筋排水褥墊技術(shù)與砂墊層的經(jīng)濟(jì)性通過具體工況進(jìn)行對比分析。上海北環(huán)高速公路軟基處理采用堆載預(yù)壓加固方式[6]，水平排水墊層方案一采用50 cm砂墊層，方案二采用復(fù)合加筋排水褥墊層，褥墊層中間鋪素填土，塑料排水板間距1.5 m，正方形布置。根據(jù)地方造價計算:

方案一:50 cm厚砂墊層綜合單價(含運送、施工)為60元/m2;

方案二:復(fù)合加筋排水褥墊間距設(shè)計為1.5 m×1.5 m=2.25 m2，控制面積2.25 m2內(nèi)褥墊長度為1.5+1.5=3 m。復(fù)合加筋排水褥墊綜合單價為16元/m，則2.25 m2內(nèi)加筋3×16=48元，折合地面每平方米為48÷2.25=21.33元/m2。50 cm厚素土綜合單價(含運送、施工)為13元/m2。采用復(fù)合加筋排水褥墊單價為34.33元/m2。

比較上述兩方案，方案二每m2節(jié)約25.67元。

6 結(jié)論

1)復(fù)合加筋排水褥墊層對軟弱地基有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，地基越軟弱，復(fù)合加筋排水褥墊層加筋效果越明顯;路堤高度相對較低時，復(fù)合加筋排水褥墊層的加筋作用較明顯;復(fù)合加筋排水褥墊層對中等和深厚軟土地基有更明顯的加筋效果。

2)與砂墊層路堤相比，復(fù)合加筋排水褥墊路堤邊坡穩(wěn)定性提高。

3)與砂墊層比，復(fù)合加筋排水褥墊可節(jié)省造價。

[1] 劉漢龍，王保田，陳永輝，等.復(fù)合加筋排水褥墊［P］.中國.ZL02218323.X.2002－12－16.

[2] 蔡曉光，劉漢龍.復(fù)合加筋排水褥墊軟土路堤有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29(8):2302 －2307.

[3] 蔡曉光.復(fù)合加筋排水新材料加固路基變形與穩(wěn)定分析［D］.南京:河海大學(xué)，2008.

[4] 楊慶剛，黃曉明，柴建峰.土工格柵路堤加筋效果的影響因素分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2006，14(1):131 －137.

[5] 河海大學(xué)巖土工程研究所.真空－堆載聯(lián)合預(yù)壓技術(shù)在滬青平高速公路軟基處理中應(yīng)用研究報告［R］.南京:河海大學(xué)巖土工程研究所，2001.

[6] 河海大學(xué)巖土工程研究所.高速公路復(fù)合加筋排水褥墊軟基加固試驗研究項目建議書［R］.南京:河海大學(xué)巖土工程研究所，2003.