圈圍工程中高強土工布受力性能數(shù)值分析

劉益鋒

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

軟土地基處理是海堤的主要技術難題，由于軟土地基承載力低、沉降量大、振動液化性等不良工程性質，常常不能滿足穩(wěn)定性和變形的要求[1]，若等待自然排水固結則工期不許可，絕大多數(shù)情況下，需對地基進行處理[2]。

地基處理方案應確保填筑過程中地基的穩(wěn)定及地基處理后的工后沉降和承載力要求[3]，對大型圈圍工程中的軟弱淤泥質地基來說，地基處理采用的方法通常為砂石樁置換法、堤身自重預壓法、鎮(zhèn)壓層法和加筋法[4]。浦東機場外側灘涂3#圍區(qū)圈圍工程由于地基淤泥厚，同時受工期影響，圍堤加載速度快，地基處理時間有限[5]，地基處理采用高強有紡土工布加筋墊層法。

加筋地基就是應用不同的加筋材料與土體相間成層鋪設在建筑物下作為地基，以改造原有不良地基土的性質[6]。加筋約束了地基土的側向位移，有利于提高地基承載力，減少沉降，尤其是不均勻沉降[7-8]。

高強有紡土工布具有高模量、低應變、韌性好等特點，對地基處理具有較強的加筋作用[9]；土工布與地基土的摩擦力作用使土體的拉應力傳遞到筋體上，筋體承受拉力，而筋間土承受壓力和剪應力，使加筋土中筋體和土體都能很好地發(fā)揮各自的潛能，其加筋性能優(yōu)異[10]。由于加筋土工布表面粗糙，與土層接觸面積大，因而其承受的拉力很大，采用加筋土工布作為筋件的加筋土結構可能引起較大變形[11]，張杰等對外棱體進行沉降觀測，認為堤身加載過程中，加載速率大，沉降速率相應變大[12]。

由此，結合浦東機場3#圈圍工程中500kN/m高強有紡土工布加筋墊層，運用數(shù)值分析軟件，對高強有紡土工布的變形及受力開展分析，了解高強土工布作用的發(fā)揮情況。

1 工程概況

浦東機場外側灘涂促淤圈圍工程—3#圍區(qū)圈圍工程，位于浦東新區(qū)中部海塘岸段及上下游灘涂水域，工程范圍北起浦東機場江鎮(zhèn)河泵閘，南至浦東機場薛家泓泵閘，東至浦東機場外側-2～-3m高程灘地，圈圍面積1333.33hm2。本工程在已建促淤壩基礎上新建圍堤，圍區(qū)南北長約11.0km，東西寬約0.4～2.6km，圍堤由順堤、南堤和北堤組成，圍堤總長13.71km，圈圍面積1333.33hm2。

本工程堤線位于新近淤積土上，表層新近淤積土成糊狀，厚度較大，形成軟弱下臥層，需進行地基處理。通過綜合考慮及比選分析，本工程地基處理方案采用高強有紡土工布加筋墊層法，土工布斷裂強度為500kN/m。為保證高強有紡土工布能夠充分發(fā)揮其作用，先在灘面上鋪設通常砂被基墊層，然后將高強土工布鋪設在通長砂被上，這樣既便于高強土工布鋪設施工，又能增強高強布與周圍介質的接觸面黏結力。

2 高強土工布加筋墊層數(shù)值分析

2.1 計算模型

Plaxis程序是由荷蘭人開發(fā)的巖土工程有限元軟件，適合于變形和穩(wěn)定分析[13]，本次研究利用其開展二維有限元數(shù)值計算，對施工過程中的土工布受力和變形進行研究。

本次研究以順堤斷面為代表，研究本工程軟土地基在鋪設高強土工布時的穩(wěn)定性和沉降，并通過分級加載[14]的方式，得出土工布在施工過程中的變形和受力情況。

土體的本構模型采用摩爾-庫倫模型，對于土體是否破壞失穩(wěn)采用摩爾-庫倫破壞準則進行判別。土工布采用格柵單元進行模擬，將格柵單元的本構關系簡化為線彈性，看成只能受拉，不能受壓，不具抗彎剛度，只能沿軸向變形的一維單元。

2.2 計算參數(shù)

摩爾-庫倫模型的主要參數(shù)包括彈性模量、泊松比、內摩擦角、黏聚力C、剪脹角等[15]，具體參數(shù)見表1。土工布采用格柵單元，EA取8300kN/m。計算中設定黏性土及淤泥質土為不排水材料，砂性土為排水材料，土的強度指標采用直剪快剪強度指標。

表1 各土層物理力學性質參數(shù)

圍堤斷面如圖1所示。

圖1 圍堤斷面(單位：mm)

計算模型如圖2所示。

圖2 PLAXIS計算模型簡圖

堤身施工步驟模擬見表2。

表2 施工步驟

2.3 計算結果

在數(shù)值計算過程中，通過在外棱體底部布設關鍵點A，坐標為(74.7，2.8)監(jiān)測其沉降及水平位移，得出外棱體的沉降歷時曲線如圖3(a)所示(沉降以下沉為負，反之為正)，水平位移歷時曲線如圖3(b)所示(水平向位移以向庫內為正，向庫外位移為負)。

從圖3可以看出，外棱體的沉降隨著施工的進行，逐步增大，外棱體最大沉降約為55cm；水平向外棱體主要產生向庫外的位移，累計位移量為19cm。

圖3 外棱體監(jiān)測點位移歷時曲線

圖4給出了土工布監(jiān)測點的水平向應變歷時曲線，圖5給出了施工完成后的土工布拉力分布。其中，B點為土工膜上離開大堤軸線5m靠近外側的監(jiān)測點，其坐標為(81.8，3.3)，C點為土工膜上與大堤軸線相交處的監(jiān)測點，其坐標為(86.8，3.3)，D點為土工膜上離開大堤軸線5m靠近內側的監(jiān)測點，其坐標為(91.7，3.3)。

圖4 土工布監(jiān)測點的應變歷時曲線

圖5 土工布拉力值分布

從圖4可以看出，在工序1～工序4施工期間，由于上部荷載逐漸加大，監(jiān)測點的應變逐漸增大，由于主要施工外棱體，因此監(jiān)測點B處應變值增加最快；當工序5(第68d起)停止吹填時，由于不受外部荷載的作用，土工布監(jiān)測點的應變值改變量較小，幾乎穩(wěn)定在某一數(shù)值；當工序6繼續(xù)開始吹填時，土工布監(jiān)測點的應力繼續(xù)增大，由于大堤施工體量大，因此各監(jiān)測點的應變增長速率較快；當工序9(第240d起)停止吹填時，土工布監(jiān)測點的應變改變量較小，并最終穩(wěn)定在某一數(shù)值。

本工程在大堤軸線處及離開大堤軸線兩側各5.0m處分別安裝傳感器，當吹填高程達到8.62m時，土工布伸長率從大堤外側至內側分別為2.0%、5.1%、3.8%。內側高強土工布的變形較外側稍大，大堤中軸線下高強土工布的變形量最大。數(shù)值分析結果顯示，土工布的最終應變現(xiàn)為外側最小，內部次之，中部最大，土工布的最終應力表現(xiàn)為“盆型曲線”，與現(xiàn)場試驗相吻合。

3 結語

結合浦東機場3#圈圍工程中500kN/m高強有紡土工布加筋墊層，運用數(shù)值分析軟件，對高強有紡土工布在施工過程中的變形及受力開展數(shù)值分析，得出以下結論：在施工過程中，隨著上部荷載的逐漸加大，土工布監(jiān)測點的應變逐漸增大，且與上部加荷速率有關；當施工速度較快時，土工布監(jiān)測點的應變增加較快；當吹填停止時，土工布監(jiān)測點的應變改變量很小;土工布的受力為“盆型曲線”，在圈圍大堤的軸線下，土工布應力最大。