土工加筋直升机临时起降平台数值模拟分析

马 超，徐 倩，樊 军

(解放军理工大学野战工程学院，南京 210007)

1 研究背景

土工加筋技术由法国工程师亨利·维达尔在1963年首先提出，并在工程中开始使用，我国自20世纪80年代初开始应用加筋土技术，迄今已在全国建成加筋土工程逾千座，并取得了巨大的经济效益和社会效益。加筋土技术的设计理论和施工技术已广泛应用于公路路堤、路堑、桥台、引道、匝道，铁路路基、内河港口码头、导堤、护岸等支挡建筑物，水利工程中的河岸整治、水坝、河流、湖泊、海岸等滩涂围垦等［1］。

将加筋土技术应用于直升机临时起降平台的构筑，不仅费用低，同时在时间上也较快，可以在抗震救灾、现代战争等中取得绝对优势。本文基于数值模拟技术对软土地基上土工加筋直升机临时起降平台进行数值分析，探讨在不同类型的软土地基上的临时起降平台的适用性以及加筋层数对起降平台在变形和应力上的变化特性。

2 加筋机理

土工织物亦称土工聚合物，应用于工程上主要起渗流排水作用、对2种不同材料的隔离作用、网孔渗透的过滤作用以及利用土工聚合物强度的加筋作用等。由于土工织物有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于垫层材料的表面，在荷载的作用下，土工织物与土体颗粒接触面的摩擦力使垫层中的土体颗粒沿作用面移动受到限制，颗粒间的联络增强。复合垫层具有一定的抗拉、抗剪强度，抑制了垫层的拉断、冲切破坏，提高了垫层的整体效果。

若将不能产生侧向膨胀(与土相比)的拉筋埋入土中，利用拉筋与土间的摩擦力作用，阻止侧向膨胀，犹如施加了一个水平作用力，当垂直压力增加时，水平约束力必成比例增加。只有当土与拉筋间失去摩擦力或拉筋被拉断，土体才产生破坏。

土工织物用于处理软土地基的方法主要有浅层处理法和深层处理法。浅层处理法是把土工织物铺设在超软土地基上，用以确保施工机械的可行驶性，同时通过均等承受填方荷载，减少地基的局部下沉和侧向位移，从而提高地基的承载力［2］。土工加筋直升机临时起降平台即利用土工织物的浅层处理法原理，在软土地基上快速修筑一个可供直升机临时起降的平台，解决战时或农林、气象、救灾、航测、海洋、环保、科考、救援、娱乐、公务、旅游、安防等方面的直升机停机问题。

3 直升机轮胎荷载简化

为更好地适应不同重量的直升机，提高应急起降平台的适应性，把直升机的重量分为4级，8 t以下为A 级，8～12 t为B 级，12～16 t为C 级，16 t以上为D级［3］。在设计时，每一级均取该级中的最大重量作为设计标准。其中，D级的重型直升机重量从20～56 t不等，对起降场的要求极高，不在本文考虑范围内。各级直升机相应的应急起降平台分别设计为A，B，C 级。

直升机的起落架形式对应急起降平台的荷载分布也有较大的影响，本文主要以后三点式起落架单旋翼正常式布局直升机作为计算依据。

对于临时起降平台，只考虑静荷载，即在直升机停驻以后能保证直升机不陷入或失稳，国内航空轮胎设计标准多数基于汽车轮胎［4］，汽车轮胎的标准静内压力pi一般在0.4～0.7MPa范围内。通常轮胎与道面接触面上的压力p略小于内压力pi，为0.8～0.9pi。本文取轮胎内压力作为轮胎接触压力p，即为0.7MPa。假定在接触面上压力均匀分布，并以单轮作为设计标准，综合考虑直升机荷载作用大小、填土变形深度以及平面几何尺寸，各级应急起降平台的相关参数［5］设计如表1。

表1 应急起降平台设计参数Table 1 Design parameters of the emergency landing platform

针对C级直升机应急起降平台的加筋层进行计算。为有更好的安全保障，取每个主起落架承重50%，尾轮承重20%，即整体富余承重20%，故C级直升机作用在轮胎上的最大荷载值P=80 kN，根据直升机三点式轮胎布局，假设其3个轮胎正好处于一个边长为5m的正三角形的3个角上，将轮胎荷载简化成圆形均布荷载，当量圆的直径D可以按下式确定:

式中:P为作用在轮胎上的荷载(kN);p为轮胎接触压力(kPa);D为接触面当量圆直径(m)。

代入数据可得C级直升机轮胎接触面当量圆直径D=0.381m，即轮胎对地作用当量圆直径为0.381m，在数值模型中将直升机荷载简化为作用在一块0.4m×0.4m的刚性混凝土块上的面荷载。

4 数值分析

图1 加筋起降平台与软土地基模型Fig.1 Model of the geosynthetic reinforced platform and soft soil foundation

图2 4层加筋临时起降平台1/4三维数值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model for a quarter of the landing platform reinforced with four layers of geosynthetics

表2 软土地基与起降平台填土参数Table 2 Parameters of soft soil foundation and landing platform

首先以弹性模量为10MPa的软土地基为标准，模拟软土地基在1～5层加筋情况下最大沉降、土工布受力、起降平台填土最大应力以及冗余应力的变化情况。选取的一般软土地基及起降平台回填土参数如表2。

采用z－soil三维数值模拟软件，所采用的加筋土基模型如图1所示。考虑直升机主起落架的对称性，根据直升机临时起降平台的加筋土基础模型建立其1/4数值模型如图2，有纺土工布采用程序内置的membrane单元进行模拟，弹性模量为土工布5%轴向应变的单位宽度拉伸力与轴向应变的比值，本文取为620 kN/m，起降平台顶部为4m×4m，底部为6m×6m，每层土工布之间填土厚度为0.3 m，由于荷载作用面积较小，地基土尺寸取为12m×12m×10m。模型未考虑地下水作用，采用全约束，通过施加荷载并计算，得到加筋层数为1，2，3，4，5层时在直升机荷载作用下的地基最大沉降值、土工布受力、起降平台填土最大应力以及冗余应力如表3。

表3 加筋土起降平台在直升机荷载作用下的各指标值Table 3 Indexes of reinforced platform under helicopter load

软基临时起降平台失稳的表现为机轮处平台沉陷量过大，直升机无法正常起降，由表3综合地基最大沉降值、土工布受力、起降平台填土最大应力以及冗余应力等4项指标，可得当临时起降平台加4层土工布时，加筋效果最好。这主要是由于加筋层数较少时，在荷载作用下土工布受力发挥张力膜作用，并将大部分荷载传递至软土地基，由于地基土承载能力较小而导致加筋效果不好;加筋层数为5层时，每层加筋间的回填土自重较大，从而增加了软土地基的受力，导致加筋效果下降，故在软土地基上修建直升机临时起降平台，优先选择4层加筋的方案。

为研究在不同类型的软土地基上直升机临时起降平台的适用性，对10种软土地基上4层加筋起降平台的沉降进行建模分析。地基采用摩尔－库伦模型，根据文献［6－7］分别选取软土地基参数如表4。

表4 地基土物理力学指标Table 4 Physical and mechanics indexes of foundation soil

地基土的弹性模量是影响起降平台稳定性的主要参数，数值模拟的计算结果即4层加筋直升机起降平台在不同软土地基上各指标值变化情况如图3所示。

图3 4层加筋直升机起降平台在不同软土地基上各指标值变化情况Fig.3 Variations of maximum settlement，maximum effective stress and maximum internal force of the landing platform with four layers of reinforcement in the presence of different elastic moduli of foundation soil

由于弹性模量为0.95MPa和0.5MPa的淤泥质黏土弹性模量、黏聚力和内摩擦角均较小，在荷载作用下土体屈服并产生较大的塑性流动，最大沉降达3.54m，无法满足停机要求。因此，图3中仅显示其余8种地基土材料以及弹性模量为10MPa的标准软土地基材料所对应的指标值。在表4的其他地基土体材料上修建的临时起降平台，采用有纺土工布加筋后，因铺设土工加筋垫层，可以保持基底完整连续，约束浅层地基软土的侧向变形，改善软基浅层的位移场和应力场，均化应力分布，从而提高地基承载力和稳定性，调整了不均匀沉降［8］，土体未发生破坏。对于弹性模量为1.5MPa的淤泥质黏土其最大沉降量为0.15m，可以满足停机要求。由图3(a)和3(b)得知，随着地基土弹性模量的增加，平台荷载作用处最大沉降值以及平台填土最大有效应力均呈降低趋势，因此平台的稳定性增加。在图3(b)中弹性模量为2.4MPa的回填土最大有效应力出现明显的偏离，其原因有可能是软件建模过程中的人为错误，但未得到证实，将在下一步的工作中进行细致研究。由图3(c)可看出，土工布受力随地基土弹性模量的增加而减小，这是由于随着地基土的弹性模量的增加，尤其是大于10MPa后，地基土的黏聚力和内摩擦角相对较大，地基土变形较小，在小变形下有纺土工织物的张力膜效应并未充分发挥。这就降低了土工布的加筋效应，因此，当地基土本身稳定性较好时(弹性模量大于10MPa)，可选择强度偏小的土工布以节约成本。

5 结论

本文通过对软土地基上土工加筋直升机临时起降平台分别建立了加1层土工布至加5层土工布的5种情况进行三维数值模拟，并针对4层加筋起降平台在10种软土地基材料上的适用性进行研究，得出以下主要结论:

(1)临时起降平台加4层土工布时，其地基最大沉降值、土工布受力、起降平台填土最大应力以及冗余应力均最小，在修建起降平台时考虑时间效率、经济性及安全性应优先选择四层加筋的类型。

(2)当软土地基弹性模量较小时，土工加筋起降平台在荷载作用下沉降量过大，无法满足起降要求，沉降量随地基弹性模量的增加呈指数递减关系。地基土弹性模量大于1.5MPa时，可采用土工加筋平台以满足直升机的临时起降。

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