碼頭護岸邊坡填筑體加筋參數優化研究

摘要：隨著碼頭護岸邊坡的發展，填筑體加筋參數優化研究對提升邊坡穩定性變得越來越重要。通過對邊坡填筑體加筋的室內模型試驗與數值分析，探討了加筋參數對邊坡穩定性的影響，得出了加筋參數綜合優化組合。研究結果表明：加筋對土體位移有約束作用，埋置深度對土體位移影響最大，過大的豎向土壓力會造成土工格柵的側向變形大，甚至破壞。土工格柵埋置比固定后，土體下沉量和加固深度趨于穩定，為防止格柵位移過大導致破壞，應選擇較小間距。對加筋參數的優化，可以有效地提高碼頭護岸邊坡的穩定性，減少工程風險。

關鍵詞：碼頭護岸邊坡工程填筑體參數優化室內試驗數值模擬

中圖分類號：U442.55

StudyonReinforcementParameterOptimizationofWharfRevetmentSlopeFillingBody

SHENGQiao

CRCCHarbourand?;ChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430000China

Abstract：Withthedevelopmentofwharfrevetmentslope，studyontheoptimizationofreinforcementparametersoffillingbodyismoreandmoreimportanttoimprovethestabilityofslope.Throughtheindoormodeltestandnumericalanalysisofthereinforcementoftheslopefillingbody，theinfluenceofthereinforcementparametersontheslopestabilityisdiscussed，andthecomprehensiveoptimizationcombinationofthereinforcementparametersisobtained.Theresultsshowthatthereinforcementhasarestrainingeffectonthedisplacementofthesoil，andtheburialdepthhasthegreatestinfluenceonthedisplacementofsoil.Excessiveverticalearthpressurewillcauselargelateraldeformationofthegeogrid，orevendamage.Aftertheburialratioofgeogridisfixed，thesoilsubsidenceandreinforcementdepthtendtobestable.Inordertopreventthedamagecausedbytheexcessivedisplacementofgeogrid，asmallerspacingshouldbeselected.Theoptimizationofthereinforcementparameterscaneffectivelyimprovethestabilityofthewharfrevetmentslopeandreducetheengineeringrisk.

KeyWords：Wharfrevetment;Slopeengineering;Fillingbody;Parameteroptimization;Indoortest;Numericalsimulation

針對填方邊坡加筋土的參數設計技術，研究人員從邊坡穩定性、筋土界面特性以及加筋后邊坡整體的抗震特性方面進行了研究。張瑋鵬等人[1]、胡衛東等人[2]建立填方加筋土坡合理的臨界高度計算方法。徐超等人[3]、廖鴻等人[4]認為土工合成材料加筋土有較好的抗震性能。賈卓龍等人[5]揭示了不同壓實條件下加筋土體的垂直入滲規律。何紅忠等人[6]利用有限元軟件評估了土工格柵加筋處置該路塹邊坡的合理性。蔡曉光等人[7]對于加筋高邊坡設計進行研究，認為最大安全影響因素是降水。何必伍等人[8]通過室內試驗與數值模擬研究了挖方碎石土混合料作為填方加筋邊坡的回填料的工作性能，表明碎石土混合料土石質量比不大于3∶7填筑時可滿足設計要求。

綜上所述，多數情況下將加筋與動力（例強夯法）加固作為單獨加固技術進行考慮，這與真實的工程現狀是不符。以武穴港某碼頭填方邊坡工程加筋填筑體為研究背景，采用控制變量法設計室內試驗。考慮加筋體的性質，采用有限差分軟件對土工格柵埋置深度、間距和數量不同組合下，加筋填筑體的加固效果與受力變形特性進行研究。通過極差和方差分析，得出填方體加筋優化參數。

1填筑體加筋模型建立

1.1模型試驗制備及參數設置

試樣原材料來源于武穴港某碼頭填方邊坡工程，參照相關標準《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）制作試樣。采用擊實試驗確定土樣最大干密度為1.74g·cm3，最優含水率為11.50%。對最優含水率下的土試樣進行固結不排水三軸試驗，經計算得出土試樣物理力學特性，如表1所示。基于相似原理設置試驗參數，在施工現場采用強夯法對填方填筑土體進行加固施工，其中夯錘重200kN，落錘間距為10m，夯擊能達2000kN·m。在模型試驗中采用的夯錘重25N，落錘間距為1m，夯擊能達25N·m。因此，夯錘與落錘間距相似比為1∶8000與1∶10.因此可知模型與原型應力與位移相似比為1∶80和1∶10。

1.2模型設備安裝與數據采集

模型試驗設備主要由動力裝置、試驗箱、傳感器及數據采集系統組成。將模型箱前表面劃分為4cm×3cm網格，用以監測試樣土的變形。由于設計對于土體變形、應力、加固有效范圍、土工格柵變形量及應變值的監測，因此采用微型土壓力盒對加筋加固土體進行量測。土壓力盒分別在夯錘正下方與模型箱側面分別設置3個壓力盒（P1～P6），間距65cm。此外，為深入了解夯錘的動能傳遞與動能應變的作用特性，在夯錘下部處的土工格柵縱筋處設橫向置10個應變片，間距3cm水平排列。

1.3模型試驗方案設計

采用控制變量法研究填方加筋土在強夯作用下的加固效果，設定加筋土中土工格柵的埋置比Ai（土工格柵的埋置深度與單次夯擊后土體下沉量比值）i為2、3、4、5；層數Ni，其中i為2、3、4、5；間距Li，其中i為20cm、40cm、60cm、80cm，設置三因素四水平代碼如表2所示。設置12組對照試驗如表3所示。為提升試驗結果的可靠性，按照土試驗的最佳含水率進行配置土，同時嚴格控制每層土填筑厚度，使土體干密度在1.62g·cm-3以上。

2模型試驗結果分析

2.1地基土豎向位移

采用模型箱進行試驗后可知，所有的設計試驗組下地表沉降差異性較小，但土體深處的差異性較為明顯。在設置埋置比、土工格柵層數、土工格間距不同的條件下，地表位移較小，其原因在于土體豎向位移受到土工格柵的約束，夯擊時能量被土工格柵吸收。圖1反映了加筋層數與間距變化，土體豎向位移變化不明顯，第一層土工格柵的埋置深度不變時，其余各層加筋間距與層數影響較小。

2.2動土應力

2.2.1豎向土壓力

由圖2可知，對填筑土體進行加筋可明顯約束豎向土壓力。在土體深度220cm處，豎向土壓力在無筋與有筋條件下分別為251kPa與117kPa（A3）。通過圖2（b）中可知，加筋可有效降低豎向土壓力。但是，這種約束土壓力的效果是與深度呈負相關的，在深度300cm以下時約束效果趨于消失，這一深度的約束效果與無筋土的對照組的試驗結果是一致的。深層土由于豎向土壓力不足不易被壓實。因此，若豎向土壓力小，則深層土壓實度不高，若豎向土壓力大，則使工格柵的側向變形較大。同時，采用強夯法施工加固土體時，引發的卸后回彈產生的隆起，不利于土體的長期固結與邊坡的長期穩定性。

2.2.2側向土壓力

通過試驗結果可知，側向土壓力受土工格柵的約束，約束效果與筋材埋置比成正比。由圖3（a）可知，A2條件下有筋與無筋條件下側向土壓力相同。在A3條件下，相較于無筋試驗組，側向土壓力減小約23.5%。由圖3（b）可知，土體深度變化與側向土壓變化相似，這與豎向壓力變化類似。在320cm處的約束壓力較大，可達11.8kPa。然而，通過試驗發現側向土壓力受層數N的影響并不明顯。側向土壓力在N1、N2、N3與N4條件下，其變化趨勢相似。側向土壓力受土工格柵間距影響較為明顯。當深度于250cm時，L1、L2、L3與L4條件下側向土壓力變化趨勢均不相同，相較于無筋試驗組側向土壓力均較小。

3加筋體參數優化研究

3.1建立數值分析模型

基于模型試驗，采用Flac3D有限差分軟件，選取合適的建模范圍，進行數值模擬研究。為盡量真實模擬填筑加筋土體在夯擊時的特性，模型長寬高設置為1.6m×1.6m×1.0m。夯擊范圍為半徑6cm的圓。模型采用MC（摩爾庫倫）彈塑性本構模型，模型底部設置阻尼器吸收入射波，四周設置自由場邊界。數值計算參數與模型試驗參數相同，如表1所示。其中體積模量為3.75MPa剪切模量1.73MPa。土工格柵參數其彈性模量為25GPa，厚度為5mm，剪切模量2.3MPa，泊松比0.33。數值計算模型采用瑞利阻尼，主要參數為最小臨界阻尼比和中心頻率，本文取最小臨界阻尼比為5%。動力計算參數如表4所示。

3.2正交試驗設計及計算結果

填方地基土加固效果的影響因素主要表現在土體側向位移、側向土壓力、土工格柵變形量與土體的變形量5個方面。在控制變量試驗中主要考慮了埋置比、土工格柵層數與間距這3個因素，對土工格柵本身材料性質未進行充分考慮。因此，在數值計算分析時，將土工格柵的彈性模量、內摩擦角作為正交試驗考慮的影響因素。由于土工格柵彈性模量較大，取0.2為折減系數。為優化試驗方案，則通過正交試驗表進行設計試驗方案，分別為25組單獨試驗組。各影響因素與水平安排如表5所示。

3.3計算結果分析

由圖4可知，通過對正交計算結果極差與方差分析可知最佳優化水平組合為：埋置比K5取值為6、土工格柵層數K3取值為4、土工格柵間距K3取值為6cm、彈性模量K3取值為1GPa、內摩擦角K4取值為40°。通過對參數優化可為加筋參數設計提供有益參考。

4結論

本文通過控制變量法與正交法設計模型和數值試驗，針對武穴港某碼頭填方邊坡工程填筑土體加筋參數優化進行研究，得出以下結論。

（1）加筋對土體位移有約束作用，埋置深度對土體位移影響最大，過大的豎向土壓力會造成土工格柵的側向變形大，甚至破壞。

（2）土工格柵埋置比固定后，土體下沉量和加固深度趨于穩定。格柵層數增加會減弱加筋效果，間距增大則應力增大，但隨水平距離增加而減小。為防止格柵位移過大導致破壞，應選擇較小間距。

（3）通過極差分析和方差分析，加筋參數綜合優化組合為：埋置比K5取值為6、土工格柵層數K3取值為4、土工格柵間距K3取值為6cm、彈性模量K3取值為1GPa、內摩擦角K4取值為40°。

參考文獻

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