秸秆绳加筋软土地基效果数值模拟研究

2022-04-23高闻川徐桂中

盐城工学院学报（自然科学版） 2022年1期

高闻川,吉锋,姚达,徐桂中,房晨

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.江苏鸿基水源科技股份有限公司，江苏扬州 225000；3.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏扬州 225000；4.盐城工学院土木工程学院，江苏盐城 224051)

根据联合国粮农组织统计,我国秸秆资源约占全球秸秆资源总量的五分之一[1]。目前秸秆资源化利用存在总量大、存储困难、产品附加值低、商业化应用不足等难题[2-4]。现阶段已经有许多学者致力于探索秸秆资源的处理与利用方式[5-6]。同时，为了防止河流堵塞、防洪排涝，我国政府每年都需要对河流进行清淤处理，产生大量的疏浚淤泥。处理疏浚淤泥的传统方法是用清淤设备将淤泥清除，再通过管道输送到排泥场[7]。排泥场内的吹填淤泥属于欠固结沉积软土，具有含水量高、抗剪强度低、承载力低等特点[8]。这些特点导致吹填工程需要长时间占用土地，工程成本巨大。必须对吹填淤泥进行加固处理，才能缩短工期、提高经济效益[9-10]。

工程中常使用塑料排水板堆载预压法处理软弱土层。刘润等[11]采用平衡法和有限元法分析了塑料排水板不取出对地基稳定性的影响，总结出塑料排水板的存在对地基承载力具有一定的提升作用。Xu等[12]将秸秆编织成排水板，通过实验发现秸秆排水板具有良好的透水性，适合替代塑料排水板。

基于上述研究可知，掌握秸秆排水体不取出对软土地基变形和承载力的影响规律对于淤泥堆场的合理利用具有重要意义。本文将通过数值模拟探究软土地基竖向打设秸秆绳对地基变形和承载力的影响。

1 几何模型的建立

1.1 模型的基本假定

为了符合实际情况并简化计算模型，有限元建模采用下列假定：

(1)软土地基土体为理想弹塑性体，均匀连续，采用库伦-摩尔屈服准则；

(2)忽略软土地基土体以及秸秆绳材料属性在上部荷载施加过程中的变化；

(3)在地基承载力失效前秸秆绳与土之间没有发生相对滑移与分离。

1.2 模型参数与尺寸的选定

本文应用有限元分析软件ABAQUS分析软土地基中打设有秸秆绳时地基达到极限平衡时的破坏模式。在分析中，地基土体采用摩尔-库伦模型，视为均匀连续的弹塑性体。该土体模型涉及的计算参数有弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角。

长三角地区河流密集，上游大量泥沙被冲刷堆积在下游，最需要进行河流清淤。因此，土体计算参数取长三角地区软土物理力学指标的平均值，数据参考工程地质手册[13]。计算参数及取值见表1。秸秆绳视为理想弹性体，根据拉伸曲线得到弹性模量。

表1 土体及秸秆绳的计算参数Table 1 Calculation parameters of soil and straw rope

采用二维数值模型模拟秸秆绳处理软基的加筋效果。建立二维变形体，需要考虑秸秆绳加筋处理对软土地基的影响范围。根据表1数据在有限元软件中建立二维模型如图1所示。整个软土土体模型宽7.5 m、高7.5 m，上部荷载作用面宽度为2 m，秸秆绳加筋深度为4 m，加筋间距为0.5 m，秸秆绳直径为0.01 m，后续运算中上部荷载的主要影响在尺寸范围之内。

图1 软土地基的二维模型Fig.1 The two-dimensional model of soft soil foundation

1.3 边界约束与网格划分

为了通过模拟计算出地基的极限承载力，需要通过模拟获得地基的荷载沉降曲线。数值模拟中有两种方式可以获得荷载沉降曲线：给定荷载求解位移，或者给定位移求解荷载。通过荷载求解位移时，达到极限条件刚度减小甚至趋于0会带来不收敛的问题，故本文选择采用通过位移求解荷载的方式。

根据实际情况，在初始分析中限制模型左右侧在水平方向上的位移与模型底部在水平方向上和竖直方向上的位移。由于软土地基长度与宽度差值较大，在长度方向上，有秸秆绳打设的地基无论是材料属性还是上部荷载都没有变化，所以按照平面应变问题进行分析处理。网格单元控制属性选取四结点双线性平面应变四边形单元(CPE4)，划分网格采用四边形的自由划分，算法为中性轴算法。考虑到地基承载力计算的准确性，将荷载作用面下的网格进行加密。网格单元和划分结果如图2所示。

图2 二维模型的网格划分Fig.2 Mesh subdivision of two-dimensional model

1.4 工况模拟对照

本文设计了两种工况进行模拟，将模拟结果进行对照分析。两种工况分别为：(1)不含秸秆绳加筋作用；(2)考虑秸秆绳的加筋作用。

秸秆绳由秸秆绳加工机制成，常见直径尺寸为0.01～0.03 m，本文采用0.01 m直径秸秆绳。排水板间距越小加筋效果越明显，为使模拟效果显著，本文采用0.5 m打设间距。因此，秸秆绳加筋工况的布筋形式为：秸秆绳直径0.01 m，打设间距0.5 m，打设深度4 m。

工程车辆等上部荷载底部可视为刚性，作用于软土地基上。

2 秸秆绳对地基承载力的影响

秸秆绳加筋前后地基的荷载沉降曲线如图3所示，沉降与荷载的关系开始呈线性变化，在濒临破坏时出现明显拐点，最后急剧下沉。

不含秸秆绳加筋作用时，地基的极限荷载为46.73 kPa，对应最大变形为0.4 m；考虑秸秆绳的加筋作用后，极限荷载为63.63 kPa，对应最大变形为0.8 m。对于本文土质情况与加筋方式，地基承载力提升了36%。可见秸秆绳加筋可以有效地提高软土地基的承载能力。

与不含秸秆绳加筋作用的软土地基相比，秸秆绳加筋后的软土地基在相同荷载作用下所产生的沉降减小，可见秸秆绳加筋能有效减小软土地基在上部荷载作用下产生的沉降变形。

由图3可知，拐点前，秸秆绳加筋前后地基的荷载沉降曲线均分为线性变形阶段与非线性变形阶段。线性变形阶段的特点为土体中各个点均处于弹性变形阶段，地基中的应力分布可以用弹性理论求解；非线性变形阶段的特点为基础边缘土体挤出，开始发生剪切破坏，产生塑性变形。

在地基承载力失效后，不含秸秆绳加筋作用的软土地基急剧变形，而秸秆绳加筋后的软土地基变形较为缓慢。软土地基中没有秸秆绳加筋时，土体滑裂面的抗力仅由地基土的黏聚力来承担；而当软土地基中存在秸秆绳加筋时，土体滑裂面的抗力由地基土的黏聚力和秸秆绳的阻力共同组成。因此在地基承载力失效后，秸秆绳加筋后的软土地基变形速度与未加筋的软土地基变形速度相比较为缓慢。

3 秸秆绳对地基变形的影响

数值模拟中，地基滑动破坏面有两种确定方式：(1)根据位移场分布确定;(2)根据增量塑性应变分布确定。在部分情况下，滑动体与稳定区域的位移场界限较难分辨，因此，本文通过同时绘制位移云图与增量塑性应变云图来分析确认滑动破坏面。

3.1 通过位移云图与增量塑性应变云图分析地基变形

图4a、图4b分别为秸秆绳加筋前后的地基荷载沉降曲线拐点处的位移云图。由图4可知，在上部荷载作用下软土地基承载力失效时，接近基础底部的土体位移最大。在竖直方向和水平方向上，有秸秆绳加筋的软土地基位移均比不含秸秆绳加筋的软土地基位移更小，可见秸秆绳加筋可以有效减小软土地基承载力失效时在竖直方向与水平方向上产生的地基位移。

a 秸秆绳加筋前

b 秸秆绳加筋后图4 地基荷载沉降曲线拐点处的位移云图Fig.4 Displacement nephogram at the inflection point of load settlement curve of foundation

由于软土地基在地基承载力失效时产生的位移较大，滑动体与稳定土体不易明显区分，导致难以观察出滑动破坏面的位置，因此需通过对比秸秆绳加筋前后地基荷载沉降曲线拐点处的增量塑性应变云图(如图5所示)判断破坏面位置。

a 秸秆绳加筋前

b 秸秆绳加筋后图5 地基荷载沉降曲线拐点处的增量塑性应变云图Fig.5 Incremental plastic strain nephogram at the inflection point of load settlement curve of foundation

由图5a可见，不含秸秆绳加筋作用时，增量塑性应变云图中可以明显观察到地基破坏后的塑性区域。基础底部与地基接触面下方倒三角区域增量塑性变形很小，基础底面以下向两侧隆起的土体增量塑性应变最大，与实际工程中整体剪切破坏基础周围地面隆起相符。

由图5b可见，考虑秸秆绳加筋作用时，随着荷载增大，增量塑性应变云图中剪切破坏区从基础边缘开始，最后停止在内部，滑动面没有延伸至地表。符合局部剪切破坏特征，可以确定为局部剪切破坏。

3.2 秸秆绳加筋对地基变形影响分析

对比秸秆绳加筋前后的位移云图和增量塑性应变云图，可以明显发现，打设秸秆绳改变了地基破坏模式，加筋前为整体剪切破坏，而加筋后为局部剪切破坏。秸秆绳加筋前，软土地基承载力失效时会在地基中形成连续的滑动面并延伸至地表，导致基础急剧下沉并向一侧倾倒，基础表面两侧大幅隆起。秸秆绳加筋后，软土地基承载力失效时也会在地基中形成连续的滑动面，但滑动面不会延伸至地表，在一定程度上减轻了软土地基破坏后的变形程度，使软土地基在后续的使用中更为安全。

综上所述，秸秆绳加筋不仅可以提升软土地基的地基承载力，减小软土地基在上部荷载作用下产生的沉降变形，也能减缓地基承载力失效后基础急剧下沉，从而提高工程的安全性。