土工合成材料加固襯砌邊坡數(shù)值模擬研究

吳 桐， 白 舸

（1.吉林省防汛機動搶險隊 吉林長春 130022；2.吉林省中部城市供水股份有限公司 吉林長春 130000）

近年來隨著“一帶一路”、西部大開發(fā)、西電東送等戰(zhàn)略的開展， 大量基礎設施正在處于緊密的建設當中。 然而，由于部分地區(qū)地質環(huán)境復雜，在工程建設中地質災害時常發(fā)生， 造成人員和大量經濟損失， 因此在工程施工前對邊坡的加固分析十分必要[1-3]。 土工合成材料加筋土是近半個世紀以來具有巨大的應用潛力的邊坡加固材料， 其結構用料省、經濟性強，能夠適應變形能力強，特別適用于軟土地區(qū)基礎設施建設。 此外，加筋土結構具備優(yōu)越的抗震性能，同時可以大大降低水泥、鋼筋等的用量，降低碳排放，對于“碳達峰”“碳中和”具有重要意義[4-5]。 當前國內研究人員對此進行了相關研究，魏浩等[6]對自然工況與多種雨強工況下兩種坡度加筋高填方邊坡進行離心模型試驗,分析加筋高填方邊坡的變形和穩(wěn)定性特性; 熊凱[7]分析不同地質條件下S 波對加筋土結構的影響， 利用FLAC3D 動力彈塑性模型對加筋土擋墻進行地震反應分析， 分析了不同粘聚力和內摩擦角的地基條件對加筋土擋墻抗震性能的影響；劉昌祿等[8]在卓尼某邊坡工程中通過加筋土技術對邊坡進行回填，分析了工程的整體性能變化；杜艷玲等[9]運用邊坡穩(wěn)定分析軟件ZSlope 進行數(shù)值模擬， 分析了土工格室墊層對邊坡安全系數(shù)及臨界滑動面的影響；鄒雨良等[10]使用TiO2水溶膠浸泡土工布,并結合室內紫外線照射、 水洗等試驗驗證了處理后的土工布抗老化特性。 本文采用PLAXIS-2D 軟件對加筋土邊坡的安全系數(shù)和最大總位移進行了研究，研究了回填土的內摩擦角、界面抗剪強度和加筋土邊坡的高度對邊坡穩(wěn)定性和變形的影響，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本次工程項目場地位于陜西省， 地貌類型屬山前沖積平原波狀平原， 地貌分區(qū)屬沂沭丘陵平原區(qū)。 受人工改造，地形起伏稍大，地面高程一般為3.8—4.5m，堤頂高程一般為8.3—9.0m，地勢自西北向東南傾斜，南部屬剝蝕構造的低山殘丘，有兩大地形，即低山殘丘和黃泛平原。 氣候條件屬暖溫帶半濕潤東亞季風大陸性氣候區(qū)。 夏熱冬冷、寒暑交替、四季分明。 四季的特點是：春旱多風、夏熱多雨、秋旱少雨、冬寒晴燥。 降雨多集中在七、八兩月份，最大年降雨量1 118mm，發(fā)生在1964 年；最小年降雨量299.98mm，發(fā)生在2002 年。 地基主要為第四系上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）粘土，經室內試驗測 得 干 密 度 1.38—1.81g／cm3， 孔 隙 比0.486—0.971，壓縮系數(shù)0.17—0.47MPa-1，局部具中等壓縮性，飽和固結快剪強度φ 值15.2°—25.1°，自由膨脹率42%—66%，具弱-中等膨脹性；抗剪強度值18.1—48.1kPa，標準貫入試驗錘擊數(shù)10—13 擊。

2 數(shù)值模型及計算參數(shù)

本次使用有限元分析程序PLAXIS-2D 對加筋土邊坡進行建模。 建立的加筋土邊坡模型坡角為60°，寬度30m，地基寬度為70m，深度為30m。本分析中使用的加筋土邊坡有限元模型為平面應變條件。因為平面應變條件假設z 方向的位移和應變?yōu)榱?，適用于具有均勻橫截面的幾何模型，以及垂直于橫截面（z 方向）一定長度上的加載條件。 此外本構模型采用塑性Mohr-Coulomb 破壞模型來對回填土和具有排水工況的地基土破壞進行模擬。 莫爾-庫侖破壞法可以結合強度折減法來確定加筋土邊坡的安全分析系數(shù)。 邊坡模型有限元網格由三角形連續(xù)單元離散組成， 鋼筋軸向拉伸剛度為10%應變的土工合成材料， 鋼筋嵌入長度L=0.70H，鋼筋材料的抗拉剛度為1 000kN/m，采用沒有抗壓強度和彎矩的彈性模型， 土與鋼筋的界面行為采用理想彈塑性模型接觸模型。 在PLAXIS-2D 軟件中， 土與鋼筋的界面強度取決于回填土的摩擦角、鋼筋對土的承載力以及抗剪強度。 最后，加筋土邊坡的面層系統(tǒng)采用了加筋材料包裹系統(tǒng)，土工格柵每層的垂直間距為0.50m，扭曲長度為1.50m，面層系統(tǒng)采用與加筋材料性質相同的彈性模型進行建模。 圖1 為本次建立的加筋邊坡模型。

圖1 加筋邊坡模型

表1 給出了土體和鋼筋的力學特性。 本文主要研究了邊坡高度、界面(土與土工柵格)抗剪強度系數(shù)、內摩擦角等參數(shù)對加筋土邊坡性能的影響，因此邊坡高度變化為4m、6m、8m 和10m， 界面抗剪強度系數(shù)變化為0.5、0.7 和0.9， 回填土的內摩擦角變化為25°、30°、35°和40°。

表1 土體和鋼筋的力學特性

3 數(shù)值結果分析

3.1 坡高對加筋土邊坡影響

圖2 給出了界面抗剪強度等于0.7 時，不同內摩擦角下，不同坡高邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律。 由圖可知，當坡高位于4—6m 時，同一內摩擦角下，邊坡安全系數(shù)隨坡高的增大而增大；當坡高位于6—10m 時，邊坡安全系數(shù)呈減小或幾乎沒有明顯變化趨勢。 而同一坡高下，邊坡安全系數(shù)與內摩擦角成正比，但當內摩擦角較小時，安全系數(shù)接近于1。本文中當坡高為6m， 內摩擦角為40°時安全系數(shù)最大，為1.91；當坡高為10m，內摩擦角為25°時安全系數(shù)最小，僅為1.10。 這一變化規(guī)律導致加筋土邊坡高度對總位移的影響以兩種方式呈現(xiàn)， 如圖3所示。 當內摩擦較小時，安全系數(shù)小于1.17，因此總位移隨著加筋土邊坡高度的增加而增加， 但當內摩擦角大于30°時, 安全系數(shù)大于1.38， 總位移隨加固土坡高度的增加基本不變。 這一結果表明加筋土邊坡高度不是影響安全系數(shù)和最大總位移的獨立參數(shù)， 由于插入路堤的土工合成材料與加筋土邊坡的高度成比例， 將增加加筋土邊坡的抗剪強度和被動抗力，并減少對土體的作用力，因此當內摩擦角較大時， 加固土坡的高度不影響安全系數(shù)和最大總位移。 相反，當內摩擦角較小時，加固土邊坡的高度對安全系數(shù)沒有影響， 但對最大總位移有很大影響。

圖2 不同坡高下邊坡安全系數(shù)變化

圖3 不同坡高下邊坡總位移變化

3.2 內摩擦角對加筋土邊坡影響

圖4 給出了不同坡高下， 回填土的內摩擦角與加筋土邊坡安全系數(shù)之間的關系。 可以看出，安全系數(shù)隨著內摩擦角的增加而增加。 在不受加筋土邊坡高度影響的情況下，安全系數(shù)幾乎相同。 這意味著， 通過增加土工合成材料和土壤的界面剪切強度， 回填土的內摩擦角是加筋土邊坡的主要參數(shù)。 在最大總位移的情況下也發(fā)現(xiàn)了同樣的關系。 最大總位移隨著回填土內摩擦角的增大而減小，如圖5 所示。 當內摩擦角為35°和40°時，最大總位移小于0.1m， 當內摩擦角分別為25°和30°時，最大總位移迅速增加，尤其是當加筋土邊坡高度較高（H=10m）時，因為安全系數(shù)接近1，加筋土邊坡幾乎發(fā)生破壞。

圖4 不同內摩擦角下邊坡安全系數(shù)變化

圖5 不同內摩擦角下邊坡總位移變化

3.3 界面抗剪強度對加筋土邊坡影響

在PLAXIS-2D 中，土體和土工合成材料之間的摩擦力可以用R 界面來模擬， 表示摩擦力與回填土內摩擦角的比值。 如果R 界面等于1，則意味著土壤和土工合成材料之間的摩擦力與土體中的摩擦力相同， 因此在本研究中，R 界面的變化范圍約為0.5、0.7 和0.9。 圖6 給出了不同回填土的內摩擦角下， 加筋土邊坡高度等于8.0 m 時，R 界面和安全系數(shù)之間的關系。 由圖可知，在所有內摩擦角情況下，安全系數(shù)都隨著R 界面的增加而增加。由于R 值是施工后產生的， 土工合成材料和土壤之間表面的抗剪強度取決于土工合成材料的類型、尺寸和形狀以及回填土壤的類型。相反，在圖7中，最大總位移隨著R 界面值的增加而減小，當回填土的內摩擦角較低時，最大總位移的很大，但當內摩擦角較大（大于30°），最大總位移幾乎隨R 界面的增加而保持不變。

圖6 界面抗剪強度系數(shù)與安全系數(shù)之間的關系

圖7 界面抗剪強度系數(shù)與邊位移的關系

4 結論

加筋土工合成材料具備優(yōu)越的抗震性能。 本文通過PLAXIS-2D 對加筋土邊坡的性能進行了研究后得出， 回填土的內摩擦角是影響加筋土邊坡安全系數(shù)和最大總位移的重要參數(shù)， 而界面剪切強度由于是摩擦與內摩擦角的比值， 設計時可用作補償參數(shù)使用。 而對于加筋土邊坡的高度，其對邊坡安全系數(shù)影響不大， 但會對邊坡最大總位移產生間接影響。 此外，當內摩擦較小時，最大總位移隨著加筋土邊坡高度的增加而增加， 但當內摩擦較大時， 最大總位移幾乎與加筋土邊坡高度一致。 因此在加筋土邊坡施工中，應當增加土顆粒和加筋材料之間的摩擦力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。