土工格柵加固綜合管廊周邊填土的性狀分析

田新潤,劉金龍,,祝 磊,肖 赟

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院,安徽 合肥 230022)

1 問題的提出

隨著國家現(xiàn)代化水平的不斷增加，基礎(chǔ)建設(shè)水平、規(guī)模以及所涉及到的領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，在大力發(fā)展公路改擴(kuò)建工程[1]的背景下，土工加筋技術(shù)作為一種土體加固方式日益得到完善。土工合成材料埋設(shè)在土體中形成的加筋土，可通過擴(kuò)散土體應(yīng)力、增加土體模量、傳遞拉應(yīng)力等限制土體位移，提高陡坡的整體穩(wěn)定性。

土工格柵是一種以聚乙烯、聚丙烯等高分子為基礎(chǔ)材料[2]而生產(chǎn)出來的柔性彈性材料。它因抗拉能力強(qiáng)、受拉狀態(tài)下蠕變小、耐腐蝕、使用壽命長、成本低以及施工方便快捷等優(yōu)秀性能而被廣泛運(yùn)用于公路、鐵路、橋臺、碼頭、水壩等工程領(lǐng)域。目前，社會上對加筋技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在土體變形分析、穩(wěn)定性分析、抗震性能等方面。

在道路改擴(kuò)建工程中，國內(nèi)已在有關(guān)土工格柵加固路基方面上取得較多的成果[3，4]。土體埋設(shè)土工合成材料，加筋材料及加筋方式的變化都會對土體的變形和整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。王偉等[5]通過增大土工格柵的彈性模量得出，提高筋材模量對昔格達(dá)填土地基表面的水平位移有著較大的影響，能夠有效地約束土體的變形。鄧超等[6]研究高架橋下基礎(chǔ)承臺伸入路基上部土體邊，通過鋪設(shè)不同層數(shù)的土工格柵發(fā)現(xiàn)，隨著土工格柵層數(shù)的增加，產(chǎn)生的上部路面沉降的作用更加明顯。孫勇[7]運(yùn)用有限元軟件模擬土工格柵加固軟土路基拓寬工程，結(jié)果表明，隨著土工格柵的增加，使得路基的豎向、水平變形得到約束。方詩圣等[8]針對含地下管道對路面破壞影響，有限元模擬得出，布置土工格柵在一定程度上可減少彎沉，隨著土工格柵層數(shù)的增加，效果不是相應(yīng)的加倍。丁龍亭等[9]研究土工格柵處治涵洞路基差異沉降技術(shù)得出改進(jìn)土工格柵鋪設(shè)在一定程度上降低路基頂面的不均勻沉降，平緩路基差異沉降曲線。

本文以某道路擴(kuò)建綜合管廊工程為依托，考察埋設(shè)土工格柵對管廊周圍土體變形的影響，為類似工程提供一定的參考。

2 工程概況

某路堤改建工程道路左側(cè)臨近高邊坡，邊坡高11 m,坡率為1∶1，右側(cè)地面與道路標(biāo)高一致。由于道路建設(shè)久遠(yuǎn)，現(xiàn)有功能不能滿足城市化需求，隨著城市的發(fā)展進(jìn)步，需要在道路下方安設(shè)綜合管廊用于鋪設(shè)各種管道線路。改建方式主要對左側(cè)邊坡段進(jìn)行開挖、管廊鋪設(shè)及回填。

具體施工方法為：對土體開挖右側(cè)采取階梯式開挖，開挖完成后進(jìn)行管廊的施工，完成后由下而上采用粘性土回填土進(jìn)行逐層回填，加固方式采用鋪設(shè)土工格柵的形式，每鋪設(shè)一層，需要對回填土進(jìn)行夯實(shí)后方可進(jìn)行下一步的工序。

路段開挖深度H為7.0 m，地表開挖寬度為21.31 m。綜合管廊為預(yù)制構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)段管廊尺寸為8.0 m×4.0 m，兩側(cè)外墻厚度為0.35 m，內(nèi)墻厚度0.25 m，左右兩艙室凈高為3.3 m，地板和頂板厚度均為0.35 m。在綜合管廊正下方鋪設(shè)100 mm素混凝土保護(hù)層。以該工程為依托建立有限元模型，進(jìn)行土工格柵對綜合管廊周邊填土的影響進(jìn)行優(yōu)化分析。工程路段剖面示意圖1所示。圖中n為管廊左側(cè)土工格柵埋設(shè)層數(shù)，S為埋設(shè)間距。

圖1 工程路段施工后剖面示意

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，場地巖土層從上到下依次為原路基土、可塑黏土、硬塑黏土，下伏基巖為白堊系全分化、強(qiáng)分化和中分化砂巖。砂土狀全分化～強(qiáng)分化砂巖分化強(qiáng)烈，巖體較破碎，遇水水易軟化，使得巖體強(qiáng)度降低。開挖段位于原路基土和可塑黏土中。

3 模型建立

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用大型有限元軟件Plaxis 建立路堤擴(kuò)建綜合管廊、土工格柵加固土體的二維數(shù)值模型，進(jìn)行土體-土工格柵-綜合管廊耦合作用的分析。為消除模型邊界的影響，特選取計(jì)算模型高度為25 m，寬度為54 m。在模型底部采取固定約束，模型左側(cè)豎直段和右側(cè)采取水平約束，地表、邊坡和堤腳水平處不設(shè)約束。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

表1 HSS本構(gòu)模型物理力學(xué)參數(shù)

工程中安裝的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)綜合管廊用板單元模擬，其混凝土強(qiáng)度為C30，重度25 kN/m3,彈性模量設(shè)置為3×104MPa，泊松比v=0.20；土工合成材料用Plaxis軟件中自帶的土工格柵單元模擬。

針對土工格柵的有限元分析模型主要有三種模擬方法[11]：①把土工格柵和土體看成兩個(gè)部分，土工格柵與土體之間設(shè)置界面單元，通過它們之間的力學(xué)性能起到土體加固作用；②把土體及土工格柵看成整體進(jìn)行分析；③把土工格柵看成外部荷載施加在土體上。此計(jì)算模型采用在土體與土工格柵之間設(shè)置界面單元進(jìn)行分析。在plaxis中單元間的應(yīng)力傳遞主要取決于用參數(shù)Rinter表示的界面強(qiáng)度[12]，它反映了單元間相互作用的強(qiáng)度。單向土工格柵的多孔特性，能有效地與土體相互作用，產(chǎn)生較大的摩擦，形成剛性較大的回填層，故此取Rinter=1。

3.2 計(jì)算工況

按照具體施工過程，對模型進(jìn)行的簡化計(jì)算工況如下：

(1)初始階段。初始由于土層不是整體平面，所以用“重力加載”的方式進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。

(2)開挖階段。對開挖區(qū)進(jìn)行逐層開挖。

(3)墊層激活。綜合管廊預(yù)安設(shè)位置下方鋪設(shè)100 mm素混凝土墊層,并位移清零。

(4)管廊激活。在素混凝土墊層上方安設(shè)綜合管廊。

(5)回填?；靥畹倪^程中遵守逐層回填原則每層攤鋪厚度為200 mm,每攤填一層后進(jìn)行壓實(shí)，根據(jù)要求[13]管廊回填土壓實(shí)度為97%，壓實(shí)結(jié)束后再進(jìn)行攤填，直至回填到原地表。

4 加筋效果分析

4.1 土工格柵間距S對土體的影響

控制加筋層數(shù)n=6及初始軸向剛度EA=1000 kN/m不變的情況下，對不設(shè)土工格柵以及加筋間距0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.2 m進(jìn)行對比分析。研究筋材間距的布設(shè)變化對該工程的邊坡段和回填段的影響如圖3和圖4所示。其中邊坡段首層土工格柵布設(shè)于開挖底層0.2 m處，回填交界處土工格柵布設(shè)于管廊上方0.2 m處。

圖3 管廊左側(cè)地表豎向沉降分布

圖4 A-A豎向斷面處土體水平位移分布

圖5 無加筋豎向沉降等值線分布(單位：mm)

圖6 加筋豎向沉降等值線分布(單位：mm)

從圖3和圖4可見，管廊左側(cè)土體隨著土工格柵埋設(shè)間距的遞減，最大豎向沉降和水平位移分別從190.12 mm、52.01 mm減少到136.95 mm、26.21 mm,下降幅度分別為27.96%和49.61%。數(shù)據(jù)對比分析可得，縮小間距使得土工格柵對周圍土體的約束作用得到了明顯的加強(qiáng)，減小了土體的變形。

圖7 無加筋水平位移等值線分布(單位：mm)

圖8 加筋水平位移等值線分布(單位：mm)

隨著不埋設(shè)土工格柵到埋設(shè)間距1.2 m的變化過程中，管廊左側(cè)土體水平與豎向沉降曲線圖俱變成“勺”形，曲線坡度隨距管廊中心位置愈來愈緩。

圖5～8為加筋與不加筋土體變形的等值線圖，從圖中直觀的發(fā)現(xiàn)，土工格柵的埋設(shè)能通過改變土體變形的發(fā)展趨勢，減小回填土變形。

綜上所述，土工格柵鋪設(shè)的間距不是越小就會越安全。加筋過密會造成“超筋土”現(xiàn)象，產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)沒有“適筋土”效果好。充分發(fā)揮土工格柵抗拉強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，選用合理的鋪設(shè)層數(shù)是土工格柵研究的重點(diǎn)。

4.2 土工格柵剛度EA對土體的影響

設(shè)置土工格柵S=1.0 m、n=6不變，以EA=1000 kN/m為初始軸向剛度，對土工格柵軸向剛度1200 kN/m、800 kN/m、600 kN/m進(jìn)行對比分析，研究單向土工格柵軸向剛度改變對綜合管廊周邊土體變形的影響。

由圖9和圖10可見，管廊左側(cè)土體最大豎向沉降從154.52 mm減少到136.46 mm，減少幅度為11.69%；最大側(cè)向位移從39.64 mm減少到34.82 mm，減少幅度為12.16%。隨著土工格柵軸向剛度的增加，可明顯的減少邊坡處土體的豎向沉降及側(cè)向位移。通過對比-3～-4 m范圍內(nèi)土工格柵變形情況，可見土工格柵軸向剛度的變化對其搭接處的約束作用可忽略不計(jì)。

圖9 頂層土工格柵豎向沉降分布

圖10 頂層土工格柵水平位移分布

綜上所述，改變土工格柵模量，在宏觀上對豎向沉降起到的效果最為明顯，但是在減少幅度方面發(fā)現(xiàn)，改變土工格柵的模量對水平位移起到的作用優(yōu)于豎向沉降。與郭銘培等[15]通過增大土工格柵模量，減少加筋路堤水平位移，提高路堤整體穩(wěn)定性的結(jié)論基本一致。

4.3 土工格柵層數(shù)n對土體的影響

加筋設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到土工格柵鋪設(shè)數(shù)量的合理性。加筋數(shù)量的增加或許可以在一定程度上可以增大土層綜合性能，可過于密集的布設(shè)，會導(dǎo)致部分土工格柵發(fā)揮的錨固能力較小，造成較大的資源浪費(fèi)，即增加了施工的工序，延長了工期，又增大工程造價(jià)。為了探索加筋層數(shù)對該回填工程的影響，在加筋間距S=1.0 m、單向土工格柵軸向剛度EA=1000 kN/m為初始模量的前提下，對土工格柵鋪設(shè)數(shù)量n進(jìn)行分析。

由圖11和圖12可知，在加筋層數(shù)遞增的過程中，管廊左側(cè)土體距離隨著距離管廊中心位置距離的增加，各點(diǎn)土體變形明顯減少。土體水平位移曲線呈“鼓”狀發(fā)展，隨著繼續(xù)增加土工格柵層數(shù)，水平位移減小的幅度劇降低。

圖11 管廊左側(cè)地表豎向沉降分布

圖12 A-A豎向斷面處土體水平位移分布

綜上所述，超過一定的加筋數(shù)量會使得加筋效果不再顯著。該道路改擴(kuò)建項(xiàng)目最合適的加筋層數(shù)為5層，該鋪設(shè)方案兼顧了土工格柵的加固能力、施工難度和工程成本。

5 加筋工況對穩(wěn)定性的影響

圖13為未設(shè)土工格柵的管廊左側(cè)土體潛在滑動面云圖。此時(shí)邊坡潛在滑移面位置靠近邊坡外側(cè)，安全系數(shù)為1.03，在邊坡工程規(guī)范[16]里屬于“欠穩(wěn)定狀態(tài)”。

圖13 無加筋滑移

圖14～16為加筋間距、模量和層數(shù)對安全性影響的關(guān)系圖。由圖可見，管廊左側(cè)土體安全系數(shù)在隨著土工格柵的間距、模量和層數(shù)的增加而增加，安全系數(shù)最高值能夠達(dá)到1.6，有效地增加了邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖14 加筋間距對安全系數(shù)的影響

由圖16可知，土工格柵埋設(shè)層數(shù)為1、2、3時(shí)，安全系數(shù)大于1.05，處于基本穩(wěn)定。層數(shù)大于3層后，處于穩(wěn)定狀態(tài)，鑒于該道路的重要性及土工格柵最大錨固能力可得，土工格柵埋設(shè)5層較為合理。

圖16 加筋層數(shù)對安全系數(shù)的影響

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，無法進(jìn)行分級施工，且對于安全性要求較高的邊坡，可以優(yōu)化土工格柵的模量和層數(shù)的來達(dá)到整體穩(wěn)定性的要求。

圖15 加筋模量對安全系數(shù)的影響

6 結(jié)論

(1)土工格柵的埋設(shè)能夠很好地抑制土體的豎向和水平變形，可埋設(shè)間距過密產(chǎn)生的“超筋土”并不能達(dá)到理想值。

(2)通過對加筋間距、模量和層數(shù)可以得出該道路改擴(kuò)建工程采用S=0.8 m、n=5和EA=1200 kN/m的加筋工況較為合理，既能充分發(fā)揮土工格柵的抗拉力學(xué)性能，也能兼顧施工工期和工程預(yù)算。

(3)對重要程度不同的邊坡工程，可通過增加土工格柵埋設(shè)層數(shù)有針對性地提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

(4)通過對加筋工況對比分析，可知加筋模量對該工程土體變形效果較為顯著，而加筋層數(shù)對土體的約束效果較弱。