軟土地基上模袋砂圍堤穩(wěn)定性分析

周星德，王露健，吳利平，林榮庚

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098)

海堤工程是海涂圍墾中重要的一環(huán)，其成敗直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)的安全。近年來，海涂圍墾工程正由高、中灘圍涂向低灘圍涂方向發(fā)展，海涂地基多屬軟土地基，而土工織物［1-2］具有良好的排水、隔離及過濾作用，可以提高軟土地基的穩(wěn)定性。模袋砂圍堤的特點是結(jié)構(gòu)整體性能良好、軟土地基處理簡單經(jīng)濟、施工效率高等，具有較高的推廣應(yīng)用價值［3］。由于模袋砂圍堤的應(yīng)用對象為臨時圍堰［4-5］，因此對其進行穩(wěn)定性分析時，多不考慮土工織物——模袋的抗拉力、袋內(nèi)填砂厚度及填充土體強度參數(shù)對圍堰整體穩(wěn)定性計算的影響，只是將其近似處理為具有單一材料特性的等效土體［6-8］。

考慮土工織物拉力的模袋砂圍堤研究目前還較少。唐洪祥等［9］結(jié)合勝利油田現(xiàn)場路堤足尺破壞試驗對土工織物補強軟土地基的作用機理與整體穩(wěn)定性進行了研究;謝開富等［10］針對Low［11］提出的軟弱地基上無加筋土堤的穩(wěn)定性分析方法提出了含加筋土堤的穩(wěn)定性算法，并確定了最大加筋拉力;高峰［12］研究了土工織物拉力對模袋砂圍堤穩(wěn)定性的影響。這些研究均采用了平面應(yīng)變的方法，存在如下2個缺陷:(a)不能考慮模袋與模袋之間及砂與模袋之間的摩擦;(b)模袋橫縱向拉力的各相異性對穩(wěn)定性的影響。為此，本文采用三維有限元法進行仿真，以反映模袋砂參數(shù)對模袋砂圍堤穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

2008年12月江蘇省政府通過了《江蘇沿海灘涂圍墾開發(fā)規(guī)劃》，2009年6月國務(wù)院批準(zhǔn)了《江蘇沿海開發(fā)戰(zhàn)略》，規(guī)劃到2020年形成新圍墾面積1 804.77 km2，新筑圍海圍堤675.28 km，促淤導(dǎo)堤總長177.05 km。模袋砂圍堤類似于模袋圍堰，具有用土量少、抗沖刷能力強、施工工藝簡單、造價低廉等特點。其基本原理是采用水力吹填的方法將砂水混合物灌入模袋中，砂料在模袋中泌水固結(jié)后形成較為密實的填筑體，與模袋組合構(gòu)筑成定型的圍堤。本文以條子泥設(shè)計的中隔斷面為研究對象，其中，圍堤頂寬8.6 m，高5 m，坡度為1∶2，上游20年一遇高水位為2.64 m。

為了準(zhǔn)確地計算模袋砂圍堤的整體穩(wěn)定性并對其影響因素進行分析，采用圍堤所用模袋材料及軟土地基的基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果:袋內(nèi)砂泥混合物的壓縮模量為7.86 MPa，固結(jié)快剪時的黏聚力為4.3 kPa，摩擦角為20°，密度為1.79 kg/m3;地基為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，壓縮模量為2.10 MPa，固結(jié)快剪時的黏聚力為7.1 kPa，摩擦角為9°，密度為1.60 kg/m3。模袋單位面積質(zhì)量為0.2 kg/m2，厚2.71 mm，等效孔徑0.07～0.5 mm，延伸長率30%，縱向抗拉強度40 kN/m，橫向抗拉強度6.2 kN/m，CBR頂破抗拉強度3200 N。模袋與砂的摩擦角為17°，模袋之間的摩擦角為28°。

2 模袋砂圍堤穩(wěn)定性分析

模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性分析采用Abaqus軟件。模袋砂的計算目前多采用MC準(zhǔn)則，本文采用強度折減法，該法以不收斂為判別標(biāo)準(zhǔn)［13］。Griffith等［14］以迭代次數(shù)超過1 000次仍未收斂為失穩(wěn)判據(jù)，計算的安全系數(shù)和極限平衡法十分接近;Dawson等［15］假定當(dāng)結(jié)點的失衡力與外荷載的比值超過310而導(dǎo)致數(shù)值計算不收斂作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，其中隱含著必須以某一迭代次數(shù)作為收斂標(biāo)準(zhǔn);Ugai［16］指定迭代次數(shù)為500，超過該限值意味著破壞;本文以迭代次數(shù)超過1000次仍未收斂為失穩(wěn)判據(jù)。

為了研究模袋抗拉力、含砂強度參數(shù)以及袋內(nèi)填砂厚度對模袋砂圍堤整體安全系數(shù)的影響規(guī)律，以模袋橫向抗拉強度、含泥砂黏聚力、充填袋層厚以及充填飽滿度為變量計算圍堤整體安全系數(shù)，計算結(jié)果見圖1。

圖1 模袋砂圍堤整體安全系數(shù)計算結(jié)果Fig.1 Calculated safety coefficient of dyke with fabriform sand

從圖1(a)可以看出，模袋橫向抗拉強度對模袋砂圍堤整體安全系數(shù)有明顯影響，隨著橫向抗拉強度及黏聚力的增加，圍堤整體安全系數(shù)近似呈線性增長，但考慮到隨著模袋厚度的增加，費用顯著上升，所以該方法不可行。從圖1(b)可以看出，含砂黏聚力對模袋砂圍堤安全系數(shù)的影響比較明顯，當(dāng)含砂黏聚力從5 kPa增大到27 kPa時，圍堤整體安全系數(shù)從1.190增大至1.538，黏聚力的增加意味著土體抗剪強度的增大。對于一些整體安全系數(shù)較低的圍堤，可通過添加水泥等固化劑的方法提高模袋砂抗剪強度，從而達到控制模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性的目的。從圖1(c)可以看出，隨著充填袋層厚的增加，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)逐漸降低。當(dāng)層厚在20～80cm時，圍堤整體安全系數(shù)下降較快，超過80cm后，層厚對圍堤整體安全系數(shù)的影響不明顯。這是因為隨著模袋內(nèi)層厚的增加，含砂本身抵抗滑移能力顯著降低，圍堤整體安全系數(shù)隨之減小。從圖1(d)可以看出，模袋充填飽滿度對圍堤整體安全系數(shù)影響也很明顯，隨著充填飽滿度的增加，圍堤整體安全系數(shù)增加明顯，這是因為充填飽滿度大則含砂密實，可提高模袋砂的黏聚力及摩擦角。在實際應(yīng)用中應(yīng)保持90%以上的充填飽滿度。當(dāng)模袋砂黏聚力為27 kPa、充填袋層厚為100 cm、充填飽滿度為90%時，三維有限元計算的塑性區(qū)域見圖2。

圖2 三維有限元計算的塑性區(qū)域Fig.2 Plastic zone calculated with three-dimensional finite element

3 結(jié) 論

a.雖然模袋橫向抗拉強度提高可顯著增加圍堤整體安全系數(shù)，但隨著模袋厚度的增加，費用顯著上升，所以該方法不可行。

b.含砂黏聚力對模袋砂圍堤整體安全系數(shù)的影響比較明顯，對于一些整體安全系數(shù)較低的圍堤，可通過添加水泥等固化劑的方法提高模袋砂抗剪強度，從而達到控制模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性的目的。

c.模袋砂充填袋層厚最好小于80 cm，否則，含砂本身抵抗滑移能力顯著降低，圍堤整體安全系數(shù)隨之減小。

d.充填飽滿度的增加可明顯提高模袋砂圍堤整體安全系數(shù)，在實際應(yīng)用中應(yīng)該保持90%以上的充填飽滿度。

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