土工格室選型對庫岸邊坡穩定性的影響

王躍鋒

（山西省陽城縣水務局，山西 晉城 048199）

1 引 言

土工格室被廣泛應用于工程界，具有材質輕、耐磨性好、施工簡便等優點。將松散的碎石、土體等填入土工格室，可以很好的限制填料側向位移，并能提高結構整體剛度。

系統考慮土工格室參數對邊坡穩定性的影響，利用有限元軟件建立邊坡三維數值模型，采用強度折減法分析計算土工格室彈性模量、高度形狀對邊坡安全系數和水平位移的影響。

2 實例分析

以某庫岸邊坡為例，采用有限元軟件建立庫岸邊坡模型，分析不同類型的土工格室對庫岸邊坡穩定性的影響。主要考慮土工格室彈性模量、高度、形狀對邊坡穩定性的影響，土工格室具體參數見表1。

表1 土工格室具體參數表

2.1 有限元模型的建立

設置邊坡模型高度10 m，厚度2 m，寬度27 m。前人研究表明，加筋材料布置在高度H/3、H/2、3H/4、7H/8處，可以取得較好的加筋效果。模型中將土工格室布置在邊坡3.30、5.00、7.50、8.75 m 處，嵌入長度為4 m。通過有限元軟件建立三維數值模型，采用Drucker-Prager 準則，將土工格室嵌入土體模擬加筋材料層與結構間的相互作用，土工格室采用四節點四邊形殼單元網格劃分，土體采用八節點六面體單元網格劃分，并通過強度折減系數法對模型參數進行計算。

2.2 計算結果分析

2.2.1 安全系數計算

安全系數是指土體抗剪強度值與抗滑移面的實際剪應力值之比，常被用來評價邊坡的穩定性。土工格室參數對格室加筋邊坡結構的安全系數計算結果見表2。

表2 不同類型土工格室加坡的安全系數計算結果表

由表2可知，土工格室彈性模量為25 MPa 時，不同高度土工格室加筋邊坡安全系數分別為1.80、1.72、1.61；土工格室彈性模量為50 MPa 時，不同高度土工格室加筋邊坡安全系數分別為1.83、1.78、1.70；土工格室彈性模量為70 MPa 時，不同高度土工格室加筋邊坡安全系數分別為1.92、1.86、1.74。經土工格室加筋后的邊坡安全系數值均大于1，處于安全穩定的狀態。試驗結果表明，土工格室彈性模量及高度對邊坡安全系數值有很大影響。邊坡安全系數隨著土工格室彈性模量的增大而增加。以10 cm高土工格室為例，70 MPa彈性模量土工格室加筋邊坡結構的安全系數為1.92，相較于25 MPa、50 MPa彈性模量的土工格室，其安全系數分別提高了6.70%、4.90%。從土工格室高度來看，高度越低，邊坡結構的安全系數越高。

2.2.2 土工格室高度對邊坡穩定性的影響

圖1表示不同土工格室高度對水平位移的影響。可以看出，邊坡坡腳處水平位移最小。水平位移變化規律呈外凸型，隨著邊坡高度的增加，水平位移逐漸增大，達到最大位移處后再隨高度逐漸減小。經有限元計算得，最大位移出現在邊坡高度6.00～7.50 m處。圖1（a）、（b）、（c）分別為25、50、70 MPa的土工格室水平位移圖。不同彈性模量土工格室加筋情況下，高度對土工格室水平位移的影響規律表現相同的趨勢。采用25 MPa彈性模量的土工格室加筋邊坡時，土工格室高度為10、20、40 cm時土工格室最大水平位移分別為2.55、4.42、6.47 cm；50 MPa彈性模量的土工格室加筋邊坡時，10、20、40 cm高度的土工格室最大水平位移分別為2.49、2.64、3.87 cm；選用70 MPa彈性模量的土工格室加筋邊坡時，不同高度下土工格室最大水平位移分別為1.87、1.92、2.73 cm；試驗表明，低高度的土工格室加筋庫岸邊坡具有更好的加筋效果。同時觀察圖1（b）、（c），隨著土工格室彈性模量的增大，可以降低由土工格室高度因素造成的土工格室水平位移增大的影響。在實際工程中，同等彈性模量土工格室的情況下，建議采用較低高度的土工格室。

圖1 高度對土工格室水平位移的影響圖

2.2.3 土工格室彈性模量對邊坡穩定性的影響

分別統計10、20、40 cm在彈性模量為25、50、70 MPa土工格室水平位移。結果表明彈性模量對土工格室水平位移的影響規律與高度對其影響規律相似，土工格室水平位移隨著邊坡高度的增加先增大后逐漸減小，最小位移發生在坡腳處。10 cm高度土工格室加筋邊坡時，70 MPa 彈性模量的土工格室最大水平位移僅為1.87 cm，50、25 MPa彈性模量的土工格室最大水平位移分別為2.49、2.55 cm。這表明土工格室彈性模量變化對于邊坡穩定性影響較大。彈性模量越大意味著土工格室具有更高的材料強度，在加筋時具有很好的穩定性，因此在實際工程中，宜采用高彈性模量的土工格室。

2.2.4 土工格室形狀對邊坡穩定性的影響

上述研究表明，70 MPa彈性模量、10 cm高度的土工格室在加筋庫岸邊坡時具有很好的加筋效果。為研究土工格室形狀對邊坡加筋效果影響，基于此施工工況，對形狀分別為圓形和方形的土工格室加筋邊坡有限元模型進行數值計算分析。土工格室設置在邊坡較低處時（0～3.65 m），土工格室形狀對土工格室位移影響較小，圓形土工格室和方形土工格室發生的水平位移量基本一致，隨著土工格室布置高度的增加，土工格室形狀對其水平位移的影響逐漸增大。結果表明，土工格室形狀亦會對邊坡穩定性產生影響，圓形土工格室的最大水平位移較方形土工格室的最大水平位移減小了29.43%。相同長度和寬度下，圓形土工格室較方形土工格室具有更大的格室面積，提高了邊坡整體的穩定性及安全性。

3 結論

①所有類型土工格室對庫岸邊坡均具有較好的加筋作用，加筋后的庫岸邊坡安全系數值均大于1。土工格室彈性模量越大、土工格室高度越小，邊坡越穩定。從安全系數角度看，宜采用10 cm高度、70 MPa彈性模量的土工格室。②土工格室最大水平位移發生在邊坡高6.00～7.50 m 處。土工格室水平位移隨土工格室彈性模量的增大而減小，隨著土工格室高度的增加而增大，在同類型土工格室工況下，圓形土工格室加筋邊坡時發生的水平位移相較方形土工格室水平位移更小。③綜合考慮土工格室彈性模量、高度、形狀對庫岸邊坡穩定性的影響，宜采用高彈性模量、低高度的圓形土工格室加固庫岸邊坡。