堤坝工程土工织物加筋数值模拟研究

2020-11-29邵丽盼新疆维族自治区水利厅灌溉排水发展中心

珠江水运 2020年21期

◎ 邵丽盼新疆维族自治区水利厅灌溉排水发展中心

许伟中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司

1.引言

加筋土工织物不仅能够有效增加堤坝的整体性，而且具有反滤、排水和隔离等多种功能，在工程中被广泛应用。前期的研究已经提出了一些富有成效的结论和成果。极限分析的原理认为圆弧滑动不符合实际的破坏方式，侧向挤出更加符合真实的破坏机理，并在此基础上建立了一种基于滑动平衡理论的简便分析方法。经过研究，多种提高土工织物加筋效果的方法被提出并引用。于志强从材料物理结构、化学添加剂等内部因素和光照、温度、气候、机械磨损等外部因素分析了影响土工织物耐久性的因素。陈振华提出了加筋拉力计算的经验公式，提出加筋可以补偿地基强度增长不足的问题。李学伟的研究表明，加筋能够使得路堤中部的竖向位移、堤址垂线下沿地基深度和地基表面的水平位移都有不同程度的减小，尤其水平位移减小更大。张军采用有限元方法分析路堤在加筋与未加筋2种工况下路桥过渡段路堤变形的差异，结果表明加筋可以减小路堤与桥台之间的差异沉降。王虎妹利用有限元分析和室内试验证明，路堤加筋可以使得地表沉降均匀并且沉降量随加筋层数增加而降低，加筋对于地基表面有明显的侧限作用，可以减少地基表面的侧向位移，加筋层的位置越靠下，加筋作用约明显。介玉新等通过把加筋材料的作用简化成等效附加应力，给出了相应的计算方法。然而，在进行堤坝加筋设计的时候，首先应当考虑土工织物的强度、加筋的长度、加筋的位置、加筋的层数等因素的影响。而土工织物加筋机理的理论研究远远落后于工程实践，因此应该对其加筋机理进行深入的分析。本文是在前人工作的基础上，结合Plaxis程序对土工织物加筋的不同位置、长度及层数作了分析，以期能为今后类似工程提供指导和借鉴。

2.加筋位置的影响

不同的加筋位置对土工织物性能的发挥具有重要的影响，以某一堤防为例进行分析，假设该堤防为均质土体，各项土质参数如下表1所示。由于对称性，取堤防的右半部分建立模型如图1所示。土工织物的强度取为105kN/m，首先在最底部加筋，然后每0.5m逐次上调加筋位置，计算得到的加筋位置与位移关系见图2。（图2中▲为不加筋的情况，■为不同加筋位置的情况）。

分析可见，加筋位于堤防底部时，除安全系数外，各项参数都产生了显著变化。也就是说在堤防底部加筋能有效抑制各向位移的发展，但对安全系数影响较小；加筋位于中部时，整体稳定性显著提高，同时位移发展却较大。因此，建议在堤防中添加两层土工织物较合适，一层在底部，另一层在中部。

堤防由于填土作用，土工织物可有效抑制侧向变形的发展，增加稳定性，减小沉降。但随着土工织物的位置不断上移，堤防的变形量增大，土工织物可以发挥较好的作用来抑制变形量发展；同时还发现土工织物上方的土体位移较小，下方土体位移量逐渐增大。当土工织物位置到达堤防中部，最危险滑弧出现在了土工织物的下方。由于加筋所影响的土体越来越小，位移逐渐增大，当土工织物逐渐上移时，最大位移先减少后增大，安全系数较好的也符合这一趋势。

堤防加筋能够提高稳定性的原因在于，一方面堤防加筋限制了侧向变形的发展，减小了工后沉降量；另一方面通过加筋把滑弧体和后面稳定土体联系在了一起，使得最危险滑弧的位置下移，从而提高了堤防的整体稳定性。

图3 给出了加筋位置一层在底部，一层在中部的位移增量等值线图，分析可见最危险滑弧的位置处于在两层加筋体之间。为了进一步探讨不同加筋位置的影响，进行两层加筋，一层位置在堤防底部保持不动，另一层则逐渐上移，以得到加筋位置和最大位移以及加筋位置和安全系数的关系如图4所示。从图中可以看出，加筋位置在2m处时，最大位移最小，安全系数最大。通过以上分析不难发现，最好的加筋方式是设置两层加筋，一层在堤防的底部，一层则处在中部。

3.加筋长度的影响

不同土工织物加筋的长度是影响其性能发挥的又一重要因素，在堤防的底部和中部进行两层加筋，长度分别按2.0m和2.5m递增来进行分析，以探求各参数随加筋长度的变化规律如图5所示（◆为堤防底部加筋，▲为堤防中部加筋）。

分析图5可以看出，堤防的安全系数受加筋长度的变化影响较小，当在堤防底部加筋时，安全系数几乎无变化，在堤防中部加筋时，加筋长度较小时随着长度递增安全系数的变化不明显，但当加筋长度超过一定长后，安全系数提高较快。在加筋长度较小的情况下，堤防堤脚的水平位移和堤防顶部位移量变化均不大；当加筋长度达到一定长度后，位移变化才显著。相反，堤顶的垂直位移在加筋长度较小时变化较大，随加筋长度的增大其变化逐渐减弱。此外，随着加筋体长度的递增，没有加筋部分堤防的位移量却在不断增加，这也进一步说明了加筋能够增强堤防的稳定性。