堤壩工程土工織物加筋數(shù)值模擬研究

◎ 邵麗盼 新疆維族自治區(qū)水利廳灌溉排水發(fā)展中心

許偉 中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司

1.引言

加筋土工織物不僅能夠有效增加堤壩的整體性，而且具有反濾、排水和隔離等多種功能，在工程中被廣泛應(yīng)用。前期的研究已經(jīng)提出了一些富有成效的結(jié)論和成果。極限分析的原理認(rèn)為圓弧滑動(dòng)不符合實(shí)際的破壞方式，側(cè)向擠出更加符合真實(shí)的破壞機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上建立了一種基于滑動(dòng)平衡理論的簡便分析方法。經(jīng)過研究，多種提高土工織物加筋效果的方法被提出并引用。于志強(qiáng)從材料物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)添加劑等內(nèi)部因素和光照、溫度、氣候、機(jī)械磨損等外部因素分析了影響土工織物耐久性的因素。陳振華提出了加筋拉力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，提出加筋可以補(bǔ)償?shù)鼗鶑?qiáng)度增長不足的問題。李學(xué)偉的研究表明，加筋能夠使得路堤中部的豎向位移、堤址垂線下沿地基深度和地基表面的水平位移都有不同程度的減小，尤其水平位移減小更大。張軍采用有限元方法分析路堤在加筋與未加筋2種工況下路橋過渡段路堤變形的差異，結(jié)果表明加筋可以減小路堤與橋臺之間的差異沉降。王虎妹利用有限元分析和室內(nèi)試驗(yàn)證明，路堤加筋可以使得地表沉降均勻并且沉降量隨加筋層數(shù)增加而降低，加筋對于地基表面有明顯的側(cè)限作用，可以減少地基表面的側(cè)向位移，加筋層的位置越靠下，加筋作用約明顯。介玉新等通過把加筋材料的作用簡化成等效附加應(yīng)力，給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。然而，在進(jìn)行堤壩加筋設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先應(yīng)當(dāng)考慮土工織物的強(qiáng)度、加筋的長度、加筋的位置、加筋的層數(shù)等因素的影響。而土工織物加筋機(jī)理的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，因此應(yīng)該對其加筋機(jī)理進(jìn)行深入的分析。本文是在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合Plaxis程序?qū)ν凉た椢锛咏畹牟煌恢?、長度及層數(shù)作了分析，以期能為今后類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

2.加筋位置的影響

不同的加筋位置對土工織物性能的發(fā)揮具有重要的影響，以某一堤防為例進(jìn)行分析，假設(shè)該堤防為均質(zhì)土體，各項(xiàng)土質(zhì)參數(shù)如下表1所示。由于對稱性，取堤防的右半部分建立模型如圖1所示。土工織物的強(qiáng)度取為105kN/m，首先在最底部加筋，然后每0.5m逐次上調(diào)加筋位置，計(jì)算得到的加筋位置與位移關(guān)系見圖2。（圖2中▲為不加筋的情況，■為不同加筋位置的情況）。

分析可見，加筋位于堤防底部時(shí)，除安全系數(shù)外，各項(xiàng)參數(shù)都產(chǎn)生了顯著變化。也就是說在堤防底部加筋能有效抑制各向位移的發(fā)展，但對安全系數(shù)影響較?。患咏钗挥谥胁繒r(shí)，整體穩(wěn)定性顯著提高，同時(shí)位移發(fā)展卻較大。因此，建議在堤防中添加兩層土工織物較合適，一層在底部，另一層在中部。

堤防由于填土作用，土工織物可有效抑制側(cè)向變形的發(fā)展，增加穩(wěn)定性，減小沉降。但隨著土工織物的位置不斷上移，堤防的變形量增大，土工織物可以發(fā)揮較好的作用來抑制變形量發(fā)展；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)土工織物上方的土體位移較小，下方土體位移量逐漸增大。當(dāng)土工織物位置到達(dá)堤防中部，最危險(xiǎn)滑弧出現(xiàn)在了土工織物的下方。由于加筋所影響的土體越來越小，位移逐漸增大，當(dāng)土工織物逐漸上移時(shí)，最大位移先減少后增大，安全系數(shù)較好的也符合這一趨勢。

堤防加筋能夠提高穩(wěn)定性的原因在于，一方面堤防加筋限制了側(cè)向變形的發(fā)展，減小了工后沉降量；另一方面通過加筋把滑弧體和后面穩(wěn)定土體聯(lián)系在了一起，使得最危險(xiǎn)滑弧的位置下移，從而提高了堤防的整體穩(wěn)定性。

圖3 給出了加筋位置一層在底部，一層在中部的位移增量等值線圖，分析可見最危險(xiǎn)滑弧的位置處于在兩層加筋體之間。為了進(jìn)一步探討不同加筋位置的影響，進(jìn)行兩層加筋，一層位置在堤防底部保持不動(dòng)，另一層則逐漸上移，以得到加筋位置和最大位移以及加筋位置和安全系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，加筋位置在2m處時(shí)，最大位移最小，安全系數(shù)最大。通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，最好的加筋方式是設(shè)置兩層加筋，一層在堤防的底部，一層則處在中部。

3.加筋長度的影響

不同土工織物加筋的長度是影響其性能發(fā)揮的又一重要因素，在堤防的底部和中部進(jìn)行兩層加筋，長度分別按2.0m和2.5m遞增來進(jìn)行分析，以探求各參數(shù)隨加筋長度的變化規(guī)律如圖5所示（◆為堤防底部加筋，▲為堤防中部加筋）。

分析圖5可以看出，堤防的安全系數(shù)受加筋長度的變化影響較小，當(dāng)在堤防底部加筋時(shí)，安全系數(shù)幾乎無變化，在堤防中部加筋時(shí)，加筋長度較小時(shí)隨著長度遞增安全系數(shù)的變化不明顯，但當(dāng)加筋長度超過一定長后，安全系數(shù)提高較快。在加筋長度較小的情況下，堤防堤腳的水平位移和堤防頂部位移量變化均不大；當(dāng)加筋長度達(dá)到一定長度后，位移變化才顯著。相反，堤頂?shù)拇怪蔽灰圃诩咏铋L度較小時(shí)變化較大，隨加筋長度的增大其變化逐漸減弱。此外，隨著加筋體長度的遞增，沒有加筋部分堤防的位移量卻在不斷增加，這也進(jìn)一步說明了加筋能夠增強(qiáng)堤防的穩(wěn)定性。

4.結(jié)論

本文以某一均質(zhì)土堤防為例，通過應(yīng)用Plaxis軟件分析了土工織物加筋的不同位置和長度對堤防的變形和穩(wěn)定性的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)加筋位置不同時(shí)，土工織物的效果性能發(fā)揮也不同。位于堤防底部的加筋能有效抑制各向位移的發(fā)展，但對安全系數(shù)影響較??；而位于堤防底部的加筋能顯著提高整體穩(wěn)定性，同時(shí)位移發(fā)展卻較大。因此，建議在堤防中添加兩層土工織物較合適，一層在底部，另一層在中部。

（2）加筋能夠提高堤防穩(wěn)定性的原因在于，一方面其限制了堤防側(cè)向變形的發(fā)展，減小了工后沉降量；另一方面其將滑弧體和后面穩(wěn)定土體聯(lián)系在了一起，使得最危險(xiǎn)滑弧的位置下移。

（3）不論是位于堤防底部還是中部的加筋，其長度對于堤壩安全系數(shù)的影響都較小，但都能夠有效減小堤壩位移。其中堤防堤腳的水平位移和堤防頂部位移量在加筋達(dá)到一定長度后變化開始顯著，而堤頂?shù)拇怪蔽灰圃诩咏铋L度較小時(shí)變化較大，隨加筋長度的增大其變化逐漸減弱。