堤壩工程土工織物加筋數(shù)值模擬研究

◎ 邵麗盼 新疆維族自治區(qū)水利廳灌溉排水發(fā)展中心

許偉 中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司

1.引言

加筋土工織物不僅能夠有效增加堤壩的整體性，而且具有反濾、排水和隔離等多種功能，在工程中被廣泛應(yīng)用。前期的研究已經(jīng)提出了一些富有成效的結(jié)論和成果。極限分析的原理認(rèn)為圓弧滑動不符合實際的破壞方式，側(cè)向擠出更加符合真實的破壞機理，并在此基礎(chǔ)上建立了一種基于滑動平衡理論的簡便分析方法。經(jīng)過研究，多種提高土工織物加筋效果的方法被提出并引用。于志強從材料物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)添加劑等內(nèi)部因素和光照、溫度、氣候、機械磨損等外部因素分析了影響土工織物耐久性的因素。陳振華提出了加筋拉力計算的經(jīng)驗公式，提出加筋可以補償?shù)鼗鶑姸仍鲩L不足的問題。李學(xué)偉的研究表明，加筋能夠使得路堤中部的豎向位移、堤址垂線下沿地基深度和地基表面的水平位移都有不同程度的減小，尤其水平位移減小更大。張軍采用有限元方法分析路堤在加筋與未加筋2種工況下路橋過渡段路堤變形的差異，結(jié)果表明加筋可以減小路堤與橋臺之間的差異沉降。王虎妹利用有限元分析和室內(nèi)試驗證明，路堤加筋可以使得地表沉降均勻并且沉降量隨加筋層數(shù)增加而降低，加筋對于地基表面有明顯的側(cè)限作用，可以減少地基表面的側(cè)向位移，加筋層的位置越靠下，加筋作用約明顯。介玉新等通過把加筋材料的作用簡化成等效附加應(yīng)力，給出了相應(yīng)的計算方法。然而，在進行堤壩加筋設(shè)計的時候，首先應(yīng)當(dāng)考慮土工織物的強度、加筋的長度、加筋的位置、加筋的層數(shù)等因素的影響。而土工織物加筋機理的理論研究遠遠落后于工程實踐，因此應(yīng)該對其加筋機理進行深入的分析。本文是在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合Plaxis程序?qū)ν凉た椢锛咏畹牟煌恢谩㈤L度及層數(shù)作了分析，以期能為今后類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

2.加筋位置的影響

不同的加筋位置對土工織物性能的發(fā)揮具有重要的影響，以某一堤防為例進行分析，假設(shè)該堤防為均質(zhì)土體，各項土質(zhì)參數(shù)如下表1所示。由于對稱性，取堤防的右半部分建立模型如圖1所示。土工織物的強度取為105kN/m，首先在最底部加筋，然后每0.5m逐次上調(diào)加筋位置，計算得到的加筋位置與位移關(guān)系見圖2。（圖2中▲為不加筋的情況，■為不同加筋位置的情況）。

分析可見，加筋位于堤防底部時，除安全系數(shù)外，各項參數(shù)都產(chǎn)生了顯著變化。也就是說在堤防底部加筋能有效抑制各向位移的發(fā)展，但對安全系數(shù)影響較小；加筋位于中部時，整體穩(wěn)定性顯著提高，同時位移發(fā)展卻較大。因此，建議在堤防中添加兩層土工織物較合適，一層在底部，另一層在中部。

堤防由于填土作用，土工織物可有效抑制側(cè)向變形的發(fā)展，增加穩(wěn)定性，減小沉降。但隨著土工織物的位置不斷上移，堤防的變形量增大，土工織物可以發(fā)揮較好的作用來抑制變形量發(fā)展；同時還發(fā)現(xiàn)土工織物上方的土體位移較小，下方土體位移量逐漸增大。當(dāng)土工織物位置到達堤防中部，最危險滑弧出現(xiàn)在了土工織物的下方。由于加筋所影響的土體越來越小，位移逐漸增大，當(dāng)土工織物逐漸上移時，最大位移先減少后增大，安全系數(shù)較好的也符合這一趨勢。

堤防加筋能夠提高穩(wěn)定性的原因在于，一方面堤防加筋限制了側(cè)向變形的發(fā)展，減小了工后沉降量；另一方面通過加筋把滑弧體和后面穩(wěn)定土體聯(lián)系在了一起，使得最危險滑弧的位置下移，從而提高了堤防的整體穩(wěn)定性。

圖3 給出了加筋位置一層在底部，一層在中部的位移增量等值線圖，分析可見最危險滑弧的位置處于在兩層加筋體之間。為了進一步探討不同加筋位置的影響，進行兩層加筋，一層位置在堤防底部保持不動，另一層則逐漸上移，以得到加筋位置和最大位移以及加筋位置和安全系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，加筋位置在2m處時，最大位移最小，安全系數(shù)最大。通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，最好的加筋方式是設(shè)置兩層加筋，一層在堤防的底部，一層則處在中部。

3.加筋長度的影響

不同土工織物加筋的長度是影響其性能發(fā)揮的又一重要因素，在堤防的底部和中部進行兩層加筋，長度分別按2.0m和2.5m遞增來進行分析，以探求各參數(shù)隨加筋長度的變化規(guī)律如圖5所示（◆為堤防底部加筋，▲為堤防中部加筋）。

分析圖5可以看出，堤防的安全系數(shù)受加筋長度的變化影響較小，當(dāng)在堤防底部加筋時，安全系數(shù)幾乎無變化，在堤防中部加筋時，加筋長度較小時隨著長度遞增安全系數(shù)的變化不明顯，但當(dāng)加筋長度超過一定長后，安全系數(shù)提高較快。在加筋長度較小的情況下，堤防堤腳的水平位移和堤防頂部位移量變化均不大；當(dāng)加筋長度達到一定長度后，位移變化才顯著。相反，堤頂?shù)拇怪蔽灰圃诩咏铋L度較小時變化較大，隨加筋長度的增大其變化逐漸減弱。此外，隨著加筋體長度的遞增，沒有加筋部分堤防的位移量卻在不斷增加，這也進一步說明了加筋能夠增強堤防的穩(wěn)定性。

4.結(jié)論

本文以某一均質(zhì)土堤防為例，通過應(yīng)用Plaxis軟件分析了土工織物加筋的不同位置和長度對堤防的變形和穩(wěn)定性的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)加筋位置不同時，土工織物的效果性能發(fā)揮也不同。位于堤防底部的加筋能有效抑制各向位移的發(fā)展，但對安全系數(shù)影響較小；而位于堤防底部的加筋能顯著提高整體穩(wěn)定性，同時位移發(fā)展卻較大。因此，建議在堤防中添加兩層土工織物較合適，一層在底部，另一層在中部。

（2）加筋能夠提高堤防穩(wěn)定性的原因在于，一方面其限制了堤防側(cè)向變形的發(fā)展，減小了工后沉降量；另一方面其將滑弧體和后面穩(wěn)定土體聯(lián)系在了一起，使得最危險滑弧的位置下移。

（3）不論是位于堤防底部還是中部的加筋，其長度對于堤壩安全系數(shù)的影響都較小，但都能夠有效減小堤壩位移。其中堤防堤腳的水平位移和堤防頂部位移量在加筋達到一定長度后變化開始顯著，而堤頂?shù)拇怪蔽灰圃诩咏铋L度較小時變化較大，隨加筋長度的增大其變化逐漸減弱。