高土堤加筋土工格柵受力狀態(tài)及滑坡分析*

鄭鑫超，段彥福，宋 玲

(1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710123；3.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832061)

0 引言

在實(shí)際工程中，高土堤典型的破壞形式主要是滑坡，所以對(duì)高土堤加筋土工格柵受力狀態(tài)與滑坡關(guān)系的研究是非常有必要的。土工格柵加筋土堤、邊坡在土工格柵受力和滑坡方面的研究，主要有數(shù)值模擬[1]、離散元法[2]和模型試驗(yàn)[3]，國(guó)內(nèi)學(xué)者唐曉松等[4]采用雙強(qiáng)度折減法對(duì)加筋土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；胡幼常等[5]采用影響帶觀測(cè)的方法分析加筋土坡的穩(wěn)定性；王志兵等[6]對(duì)膨脹土邊坡渠道中采用土工格柵滑坡進(jìn)行了分析；王家全等[7]、劉華北等[8]通過實(shí)驗(yàn)和理論研究分析了加筋土擋墻長(zhǎng)期變形和內(nèi)力特征；沈華章[9]通過本構(gòu)模型及矢量和分析法，分析了邊坡漸進(jìn)性破壞過程。Yu等[10]通過模型試驗(yàn)，分析了動(dòng)力作用下地震加筋邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性；Balakrishnan等[11]采用離心模型試驗(yàn)對(duì)邊緣回填土工格柵加筋土墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Costa等[12]對(duì)土工織物加筋土墻的時(shí)變特性的離心進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

從現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容和成果中可發(fā)現(xiàn)，就實(shí)體工程而言，多數(shù)學(xué)者對(duì)于土工格柵加筋土的研究沒有結(jié)合實(shí)體工程；就研究方法而言，多數(shù)學(xué)者沒有結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，導(dǎo)致高土堤加筋土工格柵受力狀態(tài)與滑坡方向關(guān)系方面的研究較少，土堤中的土工格柵受力狀態(tài)和受力分布大小與滑坡方向關(guān)系也尚不明確。因此，本文通過理論分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、建立數(shù)值模型，分析高土堤加筋土工格柵受力狀態(tài)對(duì)滑坡及滑坡方向的影響，擬為相關(guān)工程實(shí)際問題的解決提供參考和借鑒。

1 工程概況

土堤坡面材料主要為加筋綠色格賓，坡體內(nèi)采用柔性土工格柵，級(jí)配碎石土填筑，由高30 m和高20 m的土堤組成，坡比均為1∶0.364，如圖1所示。其中高30 m土堤體分3級(jí)填筑，如圖1(a)所示，高20 m高土堤分2級(jí)填筑，如圖1(b)所示，實(shí)體工程如圖1(c)所示。

圖1 土堤截面及工程實(shí)體Fig.1 Earth embankment cross section and engineering entity

2 土工格柵受力狀態(tài)分析

2.1 格柵理論計(jì)算

3種土工格柵的設(shè)計(jì)抗拉應(yīng)力分別為62，383，450 kN/m2。目前，解釋土工格柵加筋與填土之間力學(xué)特性主要有2種觀點(diǎn)：第1種觀點(diǎn)認(rèn)為土工格柵和填土之間相互獨(dú)立，是1種組合材料；第2種觀點(diǎn)認(rèn)為土工格柵和填土是組合而成的整體。土工格柵與填土之間存在摩擦力，所以用摩擦理論進(jìn)行分析研究[13-16]。本文選擇使用第1種觀點(diǎn)，通過式(1)可算得第i層土工格柵所受拉力Ti：

(1)

式中：Sx，Sy分別為拉筋之間水平間距和垂直間距，m，在計(jì)算時(shí)只考慮水平方向間距Sx，不考慮垂直方向間距Sy；σs為土工格柵的拉應(yīng)力，kN/m2；As為土工格柵的截面積，m2；φ為填土的摩擦角，(°)。

由式(2)算得最大拉應(yīng)力σhi：

(2)

式中：σhi為土工格柵最大拉應(yīng)力，kN/m2；Ti為第i層拉筋的計(jì)算拉力，kN；K為拉筋拉力峰值附加系數(shù)，取1.8。

2.2 格柵拉應(yīng)力大小

通過式(2)可得到3級(jí)土堤和2級(jí)土堤每1層土工格柵所受最大拉應(yīng)力，如圖2所示。圖2(a)，圖2(b)所示分別為2級(jí)土堤40層和3級(jí)土堤60層土堤土工格柵每1層從上到下的受力大小。由圖2(a)，圖2(b)可以看出，高20 m土堤的土壓力呈直線增長(zhǎng)模式，而高30 m土堤在第2級(jí)土堤處突然增大，這是因?yàn)?級(jí)土堤第1，2級(jí)填土土壓力大小比較均勻，到第3級(jí)時(shí)累加，可得到隨著土壓力的增大土工格柵的拉力也增大。

圖2 土工格柵拉應(yīng)力Fig.2 Tensile stress of geogrid

2.3 土工格柵現(xiàn)場(chǎng)受力監(jiān)測(cè)

高30 m和高20 m土堤數(shù)值模擬及其監(jiān)測(cè)元件橫斷面布置如圖3所示。根據(jù)分析計(jì)算選定有代表性的格柵加筋層安裝一定數(shù)量的專用柔性位移計(jì)測(cè)量土工格柵的拉力，采用綜合測(cè)試儀監(jiān)測(cè)施工完工后土工格柵的拉應(yīng)力沿土工格柵長(zhǎng)度方向的分布情況。柔性位移計(jì)分別布置在3級(jí)土堤和2級(jí)土堤相應(yīng)位置上，其中30 m高土堤布置于第9，20，30，39，50層土工格柵上；20 m高土堤布置于第9，20，30，39層土工格柵上。

圖3 土堤數(shù)值模型及監(jiān)測(cè)元件橫斷面布置Fig.3 Numerical model of earth embankment and cross-sectional layout of monitoring components

施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)自身的重力不變，作用在柔性位移計(jì)上土顆粒有所滑動(dòng)，這種滑動(dòng)造成柔性位移計(jì)位移，從而可得出土工格柵的受力大小。從連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)看，每一次觀測(cè)的數(shù)據(jù)變化不大，結(jié)構(gòu)橫截面中心處的土工格柵拉力最大，兩邊較小，原因有2個(gè)：1)土堤兩側(cè)填土水平位移時(shí)對(duì)土工格柵施加了拉力；2)土堤截面中心處的豎向土壓力最大。

3 土工格柵受力數(shù)值分析

3.1 建立數(shù)值模型

按照與實(shí)體工程1∶1比例建立二維模型，3級(jí)土堤和2級(jí)土堤數(shù)值模型分別如圖3(a)，圖3(c)所示。該模型由4部分組成：第1部分為回填土層，第2部分為3種抗拉強(qiáng)度不同的土工格柵，第3部分為1.5 m厚的換填層，第4部分為自然土層。材料參數(shù)通過項(xiàng)目地勘報(bào)告，類似土樣與土工格柵復(fù)合體的大型三軸試驗(yàn)結(jié)果得到[17]。4部分材料屬性見表1，土工格柵截面和接觸特性參數(shù)見表2。

表1 材料屬性參數(shù)Table 1 Parameters of materials properties

表2 土工格柵截面和接觸特性參數(shù)Table 2 Parameters of geogrid section and contact characteristics

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及模擬

為分析比較結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同高度處土工格柵的應(yīng)力大小，分別在高30 m土堤和高20 m土堤模型的土工格柵上設(shè)置與實(shí)體工程中相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高30 m土堤模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)從A1～A40如圖4(a)所示，高20 m土堤模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)從B1～B20如圖4(d)所示。

3.3 格柵受力模擬分析

結(jié)構(gòu)中的土工格柵依靠Midas GTX NX軟件設(shè)置接觸面與填土產(chǎn)生作用，它們之間應(yīng)力也依靠設(shè)置的接觸界面?zhèn)鬟f，從而可以測(cè)得土工格柵的內(nèi)力。圖4(b)為高30 m土堤土工格柵應(yīng)力，圖4(e)為高20 m土堤土工格柵應(yīng)力，由圖4(b)和圖4(e)可看出，每1層監(jiān)測(cè)點(diǎn)越靠近土堤截面中心，土工格柵的內(nèi)力越大，而靠近兩側(cè)土工格柵受力越小，這種情況的出現(xiàn)一方面與土壓力重心處受力有關(guān)，另一方面是由于施工結(jié)束后重力作用下填土向兩側(cè)分散。模擬監(jiān)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的大小基本接近，說明模擬結(jié)果相對(duì)可靠，監(jiān)測(cè)值也基本符合實(shí)際。

圖4 土堤數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及受力云圖Fig.4 Data monitoring and stress cloud map of earth embankment

從圖4(c)和圖4(f)可以看出，土工格柵應(yīng)力由上到下增大，底部最大，這與實(shí)際監(jiān)測(cè)的受力大小分布情況基本一致。

4 土堤滑坡方式分析

邊坡和土堤的穩(wěn)定性分析目前大多采用極限平衡法和強(qiáng)度折減系數(shù)法[4-6]，對(duì)土工格柵受力狀態(tài)方面考慮較少。無論是自然滑坡還是地震滑坡，滑坡首先從結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)開始，所以從土工格柵受力狀態(tài)的角度和數(shù)值模擬來分析土堤薄弱環(huán)節(jié)的滑坡，其滑坡形式有以下3種：第1種為從第1級(jí)開始滑坡，第2種為從第2級(jí)開始滑坡，第3種為從第3級(jí)開始滑坡，這3種由于土工格柵的局部斷裂而造成的滑坡，其特征是某一層的土工格柵發(fā)生斷裂導(dǎo)致，發(fā)生中間鼓起式的滑坡。因?yàn)楦?0 m土堤比高20 m土堤土工格柵受力更大，所以本文選擇高30 m土堤為研究對(duì)象。

4.1 傾斜造成的滑坡

由于施工難度大，填土厚度誤差體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的傾斜度上，當(dāng)土堤傾斜時(shí)兩側(cè)土壓力不平衡，因此，土工格柵所受的拉拔力更大，傾斜程度不同，土工格柵受力的狀態(tài)及力的大小分布情況不同，在長(zhǎng)期土壓力不平衡下，局部土工格柵可能提前進(jìn)入疲勞期，導(dǎo)致土工格柵破壞，從結(jié)構(gòu)整體來看土工格柵的受力狀態(tài)為傾斜內(nèi)側(cè)最大，外側(cè)最小。為研究不同傾斜度下土工格柵的受力以及受力狀態(tài)對(duì)滑坡的影響，建立傾斜度分別為5°，10°，15°的數(shù)值模型，得到土堤應(yīng)力云圖及分布曲線如圖5所示。其中模型的材料屬性、網(wǎng)格大小、模擬條件與3.1相同。

圖5 不同傾斜度土堤應(yīng)力云圖及應(yīng)力曲線Fig.5 Stress cloud diagram and stress curves of earth embankment with different inclinations

在施工過程中，由于施工工藝、測(cè)量、碾壓等誤差，容易造成土堤傾斜，首先假設(shè)傾斜度為5°，建立模型，通過靜力分析得到土工格柵的受力狀態(tài)如圖5(a)所示，可以看出土堤偏移導(dǎo)致土工格柵的整體拉力從右向左增大，ab線左右的拉力有明顯不對(duì)稱，并且底部最大拉力向左偏移。為了監(jiān)測(cè)在該種狀態(tài)下模型中土工格柵的拉應(yīng)力，在模型的歷程分析中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1～C40(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與圖4(a)相同)，得到土工格柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線如圖5(d)所示，從具體的數(shù)值中可得到土工格柵受力同樣為整體拉力從右向左增大。

為進(jìn)一步分析在一定傾斜度下土工格柵的受力狀態(tài)，建立傾斜度為10°的模型。在模型的歷程分析中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1～D40(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與圖4(a)相同)，通過靜力分析得到土工格柵的受力狀態(tài)云圖如圖5(b)所示，可看到土工格柵的拉力同樣從右向左增大。底部最大土工格柵的拉力繼續(xù)向左偏移。圖5(e)為土工格柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線，通過與傾斜度為5°的土工格柵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者變化規(guī)律基本相同。

為了解越傾斜是否土工格柵的拉力依然為左邊大右邊小，繼續(xù)建立傾斜度為15°的模型，在模型的歷程分析中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)E1～E40(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與圖4(a)相同)，以便于監(jiān)測(cè)在該種狀態(tài)下土工格柵的拉應(yīng)力。對(duì)該模型依然進(jìn)行靜力分析得到土工格柵的受力狀態(tài)云圖如圖5(c)所示，可以看出土工格柵拉力最大偏移斜率ef繼續(xù)減小。從而可以得到隨著土堤的傾斜度越來越大，土工格柵的拉力從左到右，從下到上呈1條斜線的趨勢(shì)減少。

從圖5(a)～(c)和圖5(f)來看，隨著傾斜度的增加，ab線、cd線、ef線的斜率越來越小，從右到左、從上到下拉應(yīng)力越來越大，隨著傾斜度的增大模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)力同樣從右到左、從上到下越來越大。當(dāng)傾斜度不大時(shí)第1級(jí)有可能發(fā)生滑坡，隨著傾斜度增大，第1級(jí)、第2級(jí)、第3級(jí)都可能發(fā)生滑坡，滑坡時(shí)傾斜方向區(qū)域以內(nèi)黏聚力、摩擦角、土壓力持續(xù)增大。傳統(tǒng)的土堤設(shè)計(jì)為從上到下土工格柵的強(qiáng)度增大，但是通過對(duì)圖5分析可知，在設(shè)計(jì)時(shí)土堤兩側(cè)的土工格柵強(qiáng)度也應(yīng)適當(dāng)增大。

4.2 工格柵漸進(jìn)破壞造成的滑坡

當(dāng)土工格柵在施工或者生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生局部損傷，該部分比較薄弱，在受到更大的拉拔力時(shí)被拉斷，此時(shí)填土失去約束，土壓力失衡，有可能發(fā)生單側(cè)滑坡，此時(shí)塑性區(qū)貫穿作為滑坡的必要條件，該滑坡首先由小面積的滑坡再到大面積的滑坡。根據(jù)數(shù)值分析可得，滑坡有可能從第2級(jí)開始，也有可能從第3級(jí)開始，而滑坡由第幾級(jí)開始，根據(jù)4.1中分析，完全取決于傾斜度。從第2級(jí)發(fā)生滑坡的滑裂帶如圖6(a)所示，從第3級(jí)發(fā)生滑坡的滑裂帶如圖6(b)所示。

圖6 滑裂帶Fig.6 Fracture zone

根據(jù)畢肖普法滑坡分析法，結(jié)合漸進(jìn)破壞規(guī)律，土堤不同部位的漸進(jìn)破壞都會(huì)造成第1級(jí)、第2級(jí)、第3級(jí)坡腳處首先破壞而形成的塑性區(qū)，在塑性區(qū)填土的摩擦角和黏聚力減小，塑性區(qū)上、中、下部土工格柵拉力也持續(xù)增大，土工格柵在這種拉力的長(zhǎng)期作用下，最終發(fā)生滑坡，第3級(jí)塑性區(qū)如圖7所示。

圖7 第3級(jí)塑性區(qū)Fig.7 Third-order plastic zone

5 結(jié)論

1)通過理論分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階底部?jī)蓚?cè)的土工格柵應(yīng)力較大，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中此部位土工格柵的抗拉強(qiáng)度與中間部分相同，此設(shè)計(jì)滑坡時(shí)每個(gè)臺(tái)階的坡腳處容易破壞，所以設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)臺(tái)階坡腳處土工格柵強(qiáng)度建議加強(qiáng)。

2)土堤隨著傾斜度的增加，從右到左、從上到下拉應(yīng)力越來越大，在傾斜時(shí)邊側(cè)某層的土工格柵有可能斷裂，對(duì)提前預(yù)測(cè)土堤的滑坡方向和滑坡的趨勢(shì)以及滑坡的破壞形態(tài)具有指導(dǎo)意義。

3)滑坡時(shí)傾斜方向區(qū)域以內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角、土壓力持續(xù)增大，傾向方向區(qū)域以外相反。傳統(tǒng)的土堤設(shè)計(jì)為從上到下土工格柵的強(qiáng)度增大，但是通過受力云圖和監(jiān)測(cè)曲線可知，土堤邊側(cè)土工格柵的拉力也較大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)土堤兩側(cè)的土工格柵強(qiáng)度也應(yīng)適當(dāng)增大。