圈围工程中高强土工布受力性能数值分析

刘益锋

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

软土地基处理是海堤的主要技术难题，由于软土地基承载力低、沉降量大、振动液化性等不良工程性质，常常不能满足稳定性和变形的要求[1]，若等待自然排水固结则工期不许可，绝大多数情况下，需对地基进行处理[2]。

地基处理方案应确保填筑过程中地基的稳定及地基处理后的工后沉降和承载力要求[3]，对大型圈围工程中的软弱淤泥质地基来说，地基处理采用的方法通常为砂石桩置换法、堤身自重预压法、镇压层法和加筋法[4]。浦东机场外侧滩涂3#围区圈围工程由于地基淤泥厚，同时受工期影响，围堤加载速度快，地基处理时间有限[5]，地基处理采用高强有纺土工布加筋垫层法。

加筋地基就是应用不同的加筋材料与土体相间成层铺设在建筑物下作为地基，以改造原有不良地基土的性质[6]。加筋约束了地基土的侧向位移，有利于提高地基承载力，减少沉降，尤其是不均匀沉降[7-8]。

高强有纺土工布具有高模量、低应变、韧性好等特点，对地基处理具有较强的加筋作用[9]；土工布与地基土的摩擦力作用使土体的拉应力传递到筋体上，筋体承受拉力，而筋间土承受压力和剪应力，使加筋土中筋体和土体都能很好地发挥各自的潜能，其加筋性能优异[10]。由于加筋土工布表面粗糙，与土层接触面积大，因而其承受的拉力很大，采用加筋土工布作为筋件的加筋土结构可能引起较大变形[11]，张杰等对外棱体进行沉降观测，认为堤身加载过程中，加载速率大，沉降速率相应变大[12]。

由此，结合浦东机场3#圈围工程中500kN/m高强有纺土工布加筋垫层，运用数值分析软件，对高强有纺土工布的变形及受力开展分析，了解高强土工布作用的发挥情况。

1 工程概况

浦东机场外侧滩涂促淤圈围工程—3#围区圈围工程，位于浦东新区中部海塘岸段及上下游滩涂水域，工程范围北起浦东机场江镇河泵闸，南至浦东机场薛家泓泵闸，东至浦东机场外侧-2～-3m高程滩地，圈围面积1333.33hm2。本工程在已建促淤坝基础上新建围堤，围区南北长约11.0km，东西宽约0.4～2.6km，围堤由顺堤、南堤和北堤组成，围堤总长13.71km，圈围面积1333.33hm2。

本工程堤线位于新近淤积土上，表层新近淤积土成糊状，厚度较大，形成软弱下卧层，需进行地基处理。通过综合考虑及比选分析，本工程地基处理方案采用高强有纺土工布加筋垫层法，土工布断裂强度为500kN/m。为保证高强有纺土工布能够充分发挥其作用，先在滩面上铺设通常砂被基垫层，然后将高强土工布铺设在通长砂被上，这样既便于高强土工布铺设施工，又能增强高强布与周围介质的接触面黏结力。

2 高强土工布加筋垫层数值分析

2.1 计算模型

Plaxis程序是由荷兰人开发的岩土工程有限元软件，适合于变形和稳定分析[13]，本次研究利用其开展二维有限元数值计算，对施工过程中的土工布受力和变形进行研究。

本次研究以顺堤断面为代表，研究本工程软土地基在铺设高强土工布时的稳定性和沉降，并通过分级加载[14]的方式，得出土工布在施工过程中的变形和受力情况。

土体的本构模型采用摩尔-库伦模型，对于土体是否破坏失稳采用摩尔-库伦破坏准则进行判别。土工布采用格栅单元进行模拟，将格栅单元的本构关系简化为线弹性，看成只能受拉，不能受压，不具抗弯刚度，只能沿轴向变形的一维单元。

2.2 计算参数

摩尔-库伦模型的主要参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力C、剪胀角等[15]，具体参数见表1。土工布采用格栅单元，EA取8300kN/m。计算中设定黏性土及淤泥质土为不排水材料，砂性土为排水材料，土的强度指标采用直剪快剪强度指标。

表1 各土层物理力学性质参数

围堤断面如图1所示。

图1 围堤断面(单位：mm)

计算模型如图2所示。

图2 PLAXIS计算模型简图

堤身施工步骤模拟见表2。

表2 施工步骤

2.3 计算结果

在数值计算过程中，通过在外棱体底部布设关键点A，坐标为(74.7，2.8)监测其沉降及水平位移，得出外棱体的沉降历时曲线如图3(a)所示(沉降以下沉为负，反之为正)，水平位移历时曲线如图3(b)所示(水平向位移以向库内为正，向库外位移为负)。

从图3可以看出，外棱体的沉降随着施工的进行，逐步增大，外棱体最大沉降约为55cm；水平向外棱体主要产生向库外的位移，累计位移量为19cm。

图3 外棱体监测点位移历时曲线

图4给出了土工布监测点的水平向应变历时曲线，图5给出了施工完成后的土工布拉力分布。其中，B点为土工膜上离开大堤轴线5m靠近外侧的监测点，其坐标为(81.8，3.3)，C点为土工膜上与大堤轴线相交处的监测点，其坐标为(86.8，3.3)，D点为土工膜上离开大堤轴线5m靠近内侧的监测点，其坐标为(91.7，3.3)。

图4 土工布监测点的应变历时曲线

图5 土工布拉力值分布

从图4可以看出，在工序1～工序4施工期间，由于上部荷载逐渐加大，监测点的应变逐渐增大，由于主要施工外棱体，因此监测点B处应变值增加最快；当工序5(第68d起)停止吹填时，由于不受外部荷载的作用，土工布监测点的应变值改变量较小，几乎稳定在某一数值；当工序6继续开始吹填时，土工布监测点的应力继续增大，由于大堤施工体量大，因此各监测点的应变增长速率较快；当工序9(第240d起)停止吹填时，土工布监测点的应变改变量较小，并最终稳定在某一数值。

本工程在大堤轴线处及离开大堤轴线两侧各5.0m处分别安装传感器，当吹填高程达到8.62m时，土工布伸长率从大堤外侧至内侧分别为2.0%、5.1%、3.8%。内侧高强土工布的变形较外侧稍大，大堤中轴线下高强土工布的变形量最大。数值分析结果显示，土工布的最终应变现为外侧最小，内部次之，中部最大，土工布的最终应力表现为“盆型曲线”，与现场试验相吻合。

3 结语

结合浦东机场3#圈围工程中500kN/m高强有纺土工布加筋垫层，运用数值分析软件，对高强有纺土工布在施工过程中的变形及受力开展数值分析，得出以下结论：在施工过程中，随着上部荷载的逐渐加大，土工布监测点的应变逐渐增大，且与上部加荷速率有关；当施工速度较快时，土工布监测点的应变增加较快；当吹填停止时，土工布监测点的应变改变量很小;土工布的受力为“盆型曲线”，在圈围大堤的轴线下，土工布应力最大。