軟土地基上模袋砂圍堤穩(wěn)定性研究

郭 霖

（閩南理工學院土木工程學院(綠色建筑施工與管理福建省高校工程研究中心)，福建 泉州 362700）

海涂圍墾中比較重要的工程之一是海堤工程，與人民生命財產(chǎn)的財產(chǎn)安全與生命安全有著緊密的聯(lián)系。海涂圍墾工程逐漸增多，向著低灘圍涂方向開發(fā)，低灘圍涂一般屬軟土地基，為有效提升提高軟土地基的穩(wěn)定性，可充分運用土工織物，其具有良好的過濾、排水及隔離效果。本文為了有效研究模袋砂圍堤穩(wěn)定性受模袋砂參數(shù)的影響作用，以三維有限元法進行仿真分析，得到了以下研究內(nèi)容。

1 工程概況

本文選取了福建省內(nèi)和江蘇省模袋砂圍堤類中的中隔斷面設(shè)計作為工程研究案例，其中江蘇省計劃開發(fā)模袋砂圍堤，有177.05km 的促淤導堤總長，675.28km的新筑圍海圍堤長度，1804.77km2的新圍墾面積。模袋砂圍堤的建筑與模袋圍堰具有相同的功用，在砂水混合物灌入模袋中進行水力吹填，模袋中的泌水在固結(jié)之后，砂料能形成較密實的填筑體，和模袋共同作用之下構(gòu)成定型的圍堤。本文研究了條子泥設(shè)計的中隔斷面，具有2.64m 的上游高水位，8.6m 的圍堤頂寬，1∶2的坡度值，5m 高度[1]。

在研究中運用基本物理力學性質(zhì)實驗研究模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性，及可能影響穩(wěn)定性的具體因素。試驗中，分析軟土地基與圍堤所用模袋材料對工程所能夠具有的作用，在物理學實驗中能夠看到具有7.86MPa 的袋內(nèi)砂泥混合物的壓縮模量，具有2.10MPa 壓縮模量的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。在固結(jié)時能夠達到1.60kg/m3的密度、9°摩擦角、7.1kPa 的黏聚力。其他的指標參數(shù)分別為，具有0.07～0.5mm 等效孔徑，0.2kg/m2 模袋單位面積質(zhì)量，40kN/m 的縱向抗拉強度，2.71mm 厚度以及0.2kg/m2 單位面積質(zhì)量的模袋，能夠達到6.2kN/m 的橫向抗拉強度，28°模袋摩擦角，具有3200N 的CBR頂破抗拉強度，具有17°模袋與砂的摩擦角[2]。

2 分析模袋砂圍堤穩(wěn)定性

研究中以Abaqus 軟件分析模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性，運用強度折減法分析，其判別標準為不收斂，以MC 準則計算模袋砂。

工程運行過程中，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)受袋內(nèi)填砂厚度、含砂強度參數(shù)及模袋抗拉力等因素的影響，計算過程中變量是充填飽滿度、含泥砂黏聚力、模袋橫向抗拉強度以及含泥砂黏聚力，收集數(shù)據(jù)并分析，最終得到以下計算結(jié)果[3]。

圖1 模袋砂圍堤整體安全系數(shù)計算結(jié)果

圖1中可知，在（a）中，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)受到較大程度的模袋橫向抗拉強度的影響作用，兩者之間呈正比關(guān)系，圍堤整體安全系數(shù)也呈現(xiàn)出了明顯的增長變化特征，在模袋厚度增加的背景下，也會消耗較大的費用，因此此方法執(zhí)行可行性不高。在（b）中，模袋砂圍堤安全系數(shù)也受到含砂黏聚力的較大程度的影響，在含砂黏聚力為5kPa 情況下，圍堤整體安全系數(shù)數(shù)值為1.190，在27kPa情況下，安全系數(shù)數(shù)值達到了1.538，可知黏聚力與土體抗剪強度也呈正比關(guān)系，在黏聚力的增加的情況下，土體抗剪強度也隨之增大。據(jù)此結(jié)論，在圍堤的整體安全系數(shù)較低的情況下，為了提高模袋砂抗剪強度可以添加水泥等固化劑，通過控制模袋砂圍堤實現(xiàn)較為良好的整體穩(wěn)定性。

在（c）中，可知模袋砂圍堤整體安全系數(shù)與充填袋層厚之間呈反比關(guān)系，在充填袋層厚的增加的情況下，模袋砂圍堤整體安全系數(shù)也呈現(xiàn)出了明顯地降低現(xiàn)象。在模袋內(nèi)層厚增加的情況下，會明顯降低含砂本身抵抗滑移能力，會降低圍堤整體安全系數(shù)[4]。在（d）中，能夠看到圍堤整體安全系數(shù)較明顯地受到模袋充填飽滿度的影響，呈正比關(guān)系，實際的運用過程中為了達到良好的效果，需將飽滿度盡量超過90%。在下圖2三維有限元計算的塑性區(qū)域是在達到90%充填飽滿度，100cm 充填袋層厚與27kPa 模袋砂黏聚力的情況下所得到的結(jié)果[5]。

圖2 三維有限元計算的塑性區(qū)域

3 結(jié)論

通過以上的分析，雖然模袋橫向抗拉強度提升的情況下能夠明顯增強圍堤整體安全系數(shù)，但同時工程費用也明顯增加，由此這種計算方式不具有可行性。

在提升模袋砂圍堤整體安全系數(shù)層面上含砂黏聚力作用明顯，可以綜合采用使用水泥等固化劑等操作方式，最終有效實現(xiàn)控制模袋砂圍堤整體穩(wěn)定性的效果。

為了達到良好的施工效果，可以將模袋砂充填袋層厚度控制在80cm 以下，是因為超過80cm，會明顯降低含砂本身抵抗滑移能力，降低圍堤整體安全系數(shù)。圍堤整體安全系數(shù)較為明顯地受到模袋充填飽滿度的影響，呈正比關(guān)系，因其具有較為密實的含砂量，顯著地提升了模袋砂的摩擦角與黏聚力，要求將飽滿度盡量保持在超過90%。