軟土地基上模袋砂圍堤穩(wěn)定性研究

郭 霖

（閩南理工學(xué)院土木工程學(xué)院(綠色建筑施工與管理福建省高校工程研究中心)，福建 泉州 362700）

海涂圍墾中比較重要的工程之一是海堤工程，與人民生命財產(chǎn)的財產(chǎn)安全與生命安全有著緊密的聯(lián)系。海涂圍墾工程逐漸增多，向著低灘圍涂方向開發(fā)，低灘圍涂一般屬軟土地基，為有效提升提高軟土地基的穩(wěn)定性，可充分運(yùn)用土工織物，其具有良好的過濾、排水及隔離效果。本文為了有效研究模袋砂圍堤穩(wěn)定性受模袋砂參數(shù)的影響作用，以三維有限元法進(jìn)行仿真分析，得到了以下研究內(nèi)容。

1 工程概況

本文選取了福建省內(nèi)和江蘇省模袋砂圍堤類中的中隔斷面設(shè)計作為工程研究案例，其中江蘇省計劃開發(fā)模袋砂圍堤，有177.05km 的促淤導(dǎo)堤總長，675.28km的新筑圍海圍堤長度，1804.77km2的新圍墾面積。模袋砂圍堤的建筑與模袋圍堰具有相同的功用，在砂水混合物灌入模袋中進(jìn)行水力吹填，模袋中的泌水在固結(jié)之后，砂料能形成較密實的填筑體，和模袋共同作用之下構(gòu)成定型的圍堤。本文研究了條子泥設(shè)計的中隔斷面，具有2.64m 的上游高水位，8.6m 的圍堤頂寬，1∶2的坡度值，5m 高度[1]。

在研究中運(yùn)用基本物理力學(xué)性質(zhì)實驗研究模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性，及可能影響穩(wěn)定性的具體因素。試驗中，分析軟土地基與圍堤所用模袋材料對工程所能夠具有的作用，在物理學(xué)實驗中能夠看到具有7.86MPa 的袋內(nèi)砂泥混合物的壓縮模量，具有2.10MPa 壓縮模量的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。在固結(jié)時能夠達(dá)到1.60kg/m3的密度、9°摩擦角、7.1kPa 的黏聚力。其他的指標(biāo)參數(shù)分別為，具有0.07～0.5mm 等效孔徑，0.2kg/m2 模袋單位面積質(zhì)量，40kN/m 的縱向抗拉強(qiáng)度，2.71mm 厚度以及0.2kg/m2 單位面積質(zhì)量的模袋，能夠達(dá)到6.2kN/m 的橫向抗拉強(qiáng)度，28°模袋摩擦角，具有3200N 的CBR頂破抗拉強(qiáng)度，具有17°模袋與砂的摩擦角[2]。

2 分析模袋砂圍堤穩(wěn)定性

研究中以Abaqus 軟件分析模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性，運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析，其判別標(biāo)準(zhǔn)為不收斂，以MC 準(zhǔn)則計算模袋砂。

工程運(yùn)行過程中，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)受袋內(nèi)填砂厚度、含砂強(qiáng)度參數(shù)及模袋抗拉力等因素的影響，計算過程中變量是充填飽滿度、含泥砂黏聚力、模袋橫向抗拉強(qiáng)度以及含泥砂黏聚力，收集數(shù)據(jù)并分析，最終得到以下計算結(jié)果[3]。

圖1 模袋砂圍堤整體安全系數(shù)計算結(jié)果

圖1中可知，在（a）中，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)受到較大程度的模袋橫向抗拉強(qiáng)度的影響作用，兩者之間呈正比關(guān)系，圍堤整體安全系數(shù)也呈現(xiàn)出了明顯的增長變化特征，在模袋厚度增加的背景下，也會消耗較大的費(fèi)用，因此此方法執(zhí)行可行性不高。在（b）中，模袋砂圍堤安全系數(shù)也受到含砂黏聚力的較大程度的影響，在含砂黏聚力為5kPa 情況下，圍堤整體安全系數(shù)數(shù)值為1.190，在27kPa情況下，安全系數(shù)數(shù)值達(dá)到了1.538，可知黏聚力與土體抗剪強(qiáng)度也呈正比關(guān)系，在黏聚力的增加的情況下，土體抗剪強(qiáng)度也隨之增大。據(jù)此結(jié)論，在圍堤的整體安全系數(shù)較低的情況下，為了提高模袋砂抗剪強(qiáng)度可以添加水泥等固化劑，通過控制模袋砂圍堤實現(xiàn)較為良好的整體穩(wěn)定性。

在（c）中，可知模袋砂圍堤整體安全系數(shù)與充填袋層厚之間呈反比關(guān)系，在充填袋層厚的增加的情況下，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)也呈現(xiàn)出了明顯地降低現(xiàn)象。在模袋內(nèi)層厚增加的情況下，會明顯降低含砂本身抵抗滑移能力，會降低圍堤整體安全系數(shù)[4]。在（d）中，能夠看到圍堤整體安全系數(shù)較明顯地受到模袋充填飽滿度的影響，呈正比關(guān)系，實際的運(yùn)用過程中為了達(dá)到良好的效果，需將飽滿度盡量超過90%。在下圖2三維有限元計算的塑性區(qū)域是在達(dá)到90%充填飽滿度，100cm 充填袋層厚與27kPa 模袋砂黏聚力的情況下所得到的結(jié)果[5]。

圖2 三維有限元計算的塑性區(qū)域

3 結(jié)論

通過以上的分析，雖然模袋橫向抗拉強(qiáng)度提升的情況下能夠明顯增強(qiáng)圍堤整體安全系數(shù)，但同時工程費(fèi)用也明顯增加，由此這種計算方式不具有可行性。

在提升模袋砂圍堤整體安全系數(shù)層面上含砂黏聚力作用明顯，可以綜合采用使用水泥等固化劑等操作方式，最終有效實現(xiàn)控制模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性的效果。

為了達(dá)到良好的施工效果，可以將模袋砂充填袋層厚度控制在80cm 以下，是因為超過80cm，會明顯降低含砂本身抵抗滑移能力，降低圍堤整體安全系數(shù)。圍堤整體安全系數(shù)較為明顯地受到模袋充填飽滿度的影響，呈正比關(guān)系，因其具有較為密實的含砂量，顯著地提升了模袋砂的摩擦角與黏聚力，要求將飽滿度盡量保持在超過90%。