基于土工織物加筋河堤沖刷穩(wěn)定性的有限元分析

馮姍姍

（本溪市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117000）

1 引言

使用土工織物作為加固形式的實(shí)踐極大地推進(jìn)了路堤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并改善了其性能[1]。土工織物管最初用于污染材料的封閉和脫水，目前用作擋土結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度土工織物管已在世界范圍內(nèi)成功應(yīng)用于河岸和海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)，如圍堤、護(hù)岸、丁壩和海堤等[2]。土工織物管由堅(jiān)固、可持續(xù)和可滲透的紡織纖維制成，可容納、過(guò)濾和加固土壤。土工織物結(jié)構(gòu)的完整性取決于所使用的填充材料和土工合成材料的類型[3]。此外，填土和土工織物的滲透性對(duì)管結(jié)構(gòu)有顯著影響[4]。然而，目前關(guān)于堆積土工布管在沖刷作用下的穩(wěn)定性研究很少。顯著的沖刷通常發(fā)生在面向海岸的土工織物管的側(cè)面，這是由波浪、潛流驅(qū)動(dòng)的水流造成的[5]。

筆者使用商用有限元軟件PLAXIS 2D 8.2 來(lái)評(píng)估各種地基條件下，在正常和臨界荷載條件下保持路堤并承受沖刷的堆疊土工織物管結(jié)構(gòu)的性能。本研究的重點(diǎn)是通過(guò)有限元分析，評(píng)估如果發(fā)生沖刷堆疊土工布管的整體安全系數(shù)。

2 模型研究

2.1 模型概況

本研究采用了北沙河流域位于本溪市高新區(qū)的路堤填料、土工織物管填料和道路路堤部分的地下土壤剖面的物理特性。三層堆疊土工織物管用于支撐10.4 m高的路堤。第一層和第二層中的土工織物管的理論直徑為4.0 m，最頂層的理論直徑為2.0 m。路堤土體垂向組成由上至下依次為：粉砂9 m、砂7 m、淤泥7.5 m、礫石2 m、黏土12 m、礫石2.3 m、風(fēng)化土2.2 m和風(fēng)化巖4 m。最高水位大約為5.2 m。

將路堤模擬為二維平面應(yīng)變對(duì)稱。PLAXIS 2D是一個(gè)巖土工程軟件程序，專門用于分析巖土工程項(xiàng)目中的變形和穩(wěn)定性，如開挖、基礎(chǔ)、路堤和隧道。模型路堤部分，如圖1所示。

圖1 平面應(yīng)變對(duì)稱路堤模型

2.2 材料特性

土工織物管填料、路堤填料和地下土壤被建模為線彈性材料。基本輸入?yún)?shù)是干容重（γu）、飽和容重（γs）、彈性模量（E）、滲透系數(shù)（k）、泊松比（μ）、黏聚力（c）、剪脹角（Φ）和摩擦角（Ψ）。土壤特性參數(shù)由三軸和原位試驗(yàn)確定，結(jié)果詳見表1。土工織物管采用彈性材料類型進(jìn)行建模。施工中使用的土工織物管的厚度為3 mm，彈性模量為7.034 6×109Pa。土工織物管的物理特性，詳見表2。

表1 土體特性參數(shù)

表2 土工織物物理特性

2.3 邊界條件和網(wǎng)格生成

風(fēng)化巖層上方的土壤剖面是一種非常堅(jiān)硬的土壤，其垂直和水平地面運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)。因此，總的固定性被分配到底層，在那里它被認(rèn)為是完全剛性和不可滲透的。另一方面，垂直邊界條件對(duì)于水平移動(dòng)是固定的，但允許沿垂直方向自由移動(dòng)。十五節(jié)點(diǎn)三角形單元用于離散土工織物管填料、路堤填料和底土。界面元素用于模擬土壤和土工織物之間的滑動(dòng)。路堤模型的網(wǎng)格單元，如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格的路堤模式

3 有限元模擬

3.1 有限元模擬案例

將經(jīng)過(guò)地基改良和加固的土工織物管路堤系統(tǒng)的性能結(jié)果與未經(jīng)地基改良和加固的土工織物管路堤系統(tǒng)的性能結(jié)果進(jìn)行了比較。采用有限元法分析了5 種土工織物管路堤系統(tǒng)。5 種路堤系統(tǒng)的特性和橫截面細(xì)節(jié)，如圖3 所示。①案例1：平坦地面基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)土工布管堆放，如圖3（a）所示。②案例2：礫石墊層基礎(chǔ)上的土工布管堆放。這種方法的基本原理是通過(guò)骨料互鎖機(jī)制增加底部摩擦力，從而增加土工織物管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并在其底部提供更堅(jiān)固的基床，如圖3（b）所示。③案例3：開挖基礎(chǔ)上的土工布管堆放。在放置和填充土工織物管之前，進(jìn)行0.5 m深的開挖，這種情況下的橫截面如圖3（c）所示。④案例4：開挖基礎(chǔ)上鋪設(shè)礫石墊層的土工布管堆放。在定位和填充土工織物管之前，進(jìn)行0.8 m 深的開挖，然后將0.3 m 厚的礫石墊層鋪設(shè)到開挖底部并壓實(shí)，如圖3（d）所示。⑤案例5：通過(guò)拋石保護(hù)加固堆疊的土工織物管。在填筑和堆積施工之后，在土工織物管的表面建造巨礫或碎石。這種方法將提供額外的路堤滑動(dòng)阻力，并為脆弱的土工織物提供保護(hù)，如圖3（e）所示。

圖3 5種案例示意

3.2 沖刷模擬

在本研究中，在堆疊土工織物管的底部沒有應(yīng)用沖刷。這種分析是在假定沖刷護(hù)岸已經(jīng)失效，并且在土工織物管路堤的底部和坡腳已經(jīng)發(fā)生沖刷的情況下進(jìn)行的。沖刷是通過(guò)物理移除土工織物管路堤底部和趾部的模擬幾何形狀中的一些土壤團(tuán)來(lái)模擬的。所有土工織物管路堤系統(tǒng)的最大沖刷深度設(shè)定為0.5 m。

3.3 分階段施工

分階段施工能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地模擬各種裝載、施工和挖掘過(guò)程。土工織物管路堤模型的施工階段，如圖4 所示，圖中的數(shù)字代表每個(gè)路堤系統(tǒng)模擬分析期間的順序。

圖4 土工織物管路堤模型的施工階段

4 模擬結(jié)果和分析

4.1 正常荷載條件

模擬結(jié)果顯示，正常荷載條件下，沖刷前和沖刷后路堤剖面土工織物管的最大水平位移發(fā)生在土工織物管的底部。隨著附加地基改良和加固的應(yīng)用，堆疊土工織物管的滑動(dòng)阻力增加。在有沖刷和無(wú)沖刷時(shí)，如果進(jìn)行地基改良和加固，那么堆積土工織物管水平位移均減少。現(xiàn)將路堤系統(tǒng)水平位移的減少百分比（%d）定義為：

式中：xC1是案例1 土工織物管路堤系統(tǒng)的水平位移（m）；xCn為案例2—5 土工織物管路堤系統(tǒng)的水平位移（m）。

礫石墊層上的土工織物管的滑動(dòng)穩(wěn)定性略有提高，有沖刷和無(wú)沖刷時(shí)相對(duì)于案例1水平位移的減少百分比，如圖5所示。對(duì)于案例3和案例4來(lái)說(shuō)，在堆疊土工織物管的底部形成被動(dòng)阻力。案例5中的路堤系統(tǒng)具有最大的抗滑性，因?yàn)樵黾恿藪伿o(hù)岸。

圖5 相對(duì)于案例1的案例2—5水平位移的減少百分比

4.2 臨界荷載條件

臨界荷載條件下路堤系統(tǒng)的水平位移幾乎是正常荷載條件下路堤系統(tǒng)水平位移的2 倍。模擬結(jié)果顯示，最大水平位移發(fā)生在底部土工布管層。堆疊土工織物管的滑動(dòng)穩(wěn)定性隨著附加地基改良和加固的應(yīng)用而增加。在有沖刷和無(wú)沖刷時(shí)，如果進(jìn)行地面改良和加固，那么堆積土工織物管水平位移將會(huì)減少。

4.3 安全系數(shù)

在正常、臨界荷載狀態(tài)下有無(wú)沖刷時(shí)，案例1—5的整體穩(wěn)定性詳見表3。

表3 路堤系統(tǒng)整體穩(wěn)定性安全系數(shù)

帶拋石保護(hù)的土工織物管路堤（案例5）為所有研究的土工織物管路堤剖面整體穩(wěn)定性最高的情況。

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_刷或達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，土工織物管路堤的整體穩(wěn)定性會(huì)降低。對(duì)于沖刷狀態(tài)下的案例5來(lái)說(shuō)，在正常狀態(tài)下，土工織物管路堤擋土結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)FS 相對(duì)于無(wú)沖刷的正常荷載條件至少下降了13%，如圖6所示。

圖6 相對(duì)于無(wú)沖刷的正常荷載條件比較

顯然，土工織物管路堤系統(tǒng)的拋石防護(hù)的額外改進(jìn)增加了擋土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。現(xiàn)將路堤系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的減少百分比（%FS-d）定義為：

式中：FSC1是案例1 路堤系統(tǒng)的安全系數(shù)；FSCn是案例2—5路基系統(tǒng)的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

本研究采用PLAXIS 2D 進(jìn)行有限元分析，以模擬和了解不同條件對(duì)土工織物管整體穩(wěn)定性的影響，并評(píng)估各種緩解和預(yù)防措施的性能，主要結(jié)論為沖刷對(duì)土工織物管路堤系統(tǒng)的變形特性和整體穩(wěn)定性有顯著影響。實(shí)際施工中，應(yīng)用的地基改良和拋石護(hù)岸工程改善了填砂土工織物管支撐路堤的整體性能和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的土工織物管設(shè)計(jì)和施工方法相比，采用礫石地基法和開挖法等地基改良方法后，土工織物管路堤的水平位移通常較小。開挖基礎(chǔ)與礫石墊層的結(jié)合共同提高了土工織物管系統(tǒng)的整體性能；然而，這種方法也增加了施工成本，并可能進(jìn)一步延長(zhǎng)工期。因此，開挖基礎(chǔ)的路基結(jié)構(gòu)提供了經(jīng)濟(jì)的選擇。拋石防護(hù)的加固方法最大限度地提高了土工織物管路堤系統(tǒng)穩(wěn)定性的整體性能。此外，拋石護(hù)岸還能保護(hù)脆弱的土工織物管免受破壞性因素的影響，如水波力、水流、尖銳物體和紫外線降解。