土工合成材料加固衬砌边坡数值模拟研究

吴 桐， 白 舸

（1.吉林省防汛机动抢险队 吉林长春 130022；2.吉林省中部城市供水股份有限公司 吉林长春 130000）

近年来随着“一带一路”、西部大开发、西电东送等战略的开展， 大量基础设施正在处于紧密的建设当中。 然而，由于部分地区地质环境复杂，在工程建设中地质灾害时常发生， 造成人员和大量经济损失， 因此在工程施工前对边坡的加固分析十分必要[1-3]。 土工合成材料加筋土是近半个世纪以来具有巨大的应用潜力的边坡加固材料， 其结构用料省、经济性强，能够适应变形能力强，特别适用于软土地区基础设施建设。 此外，加筋土结构具备优越的抗震性能，同时可以大大降低水泥、钢筋等的用量，降低碳排放，对于“碳达峰”“碳中和”具有重要意义[4-5]。 当前国内研究人员对此进行了相关研究，魏浩等[6]对自然工况与多种雨强工况下两种坡度加筋高填方边坡进行离心模型试验,分析加筋高填方边坡的变形和稳定性特性; 熊凯[7]分析不同地质条件下S 波对加筋土结构的影响， 利用FLAC3D 动力弹塑性模型对加筋土挡墙进行地震反应分析， 分析了不同粘聚力和内摩擦角的地基条件对加筋土挡墙抗震性能的影响；刘昌禄等[8]在卓尼某边坡工程中通过加筋土技术对边坡进行回填，分析了工程的整体性能变化；杜艳玲等[9]运用边坡稳定分析软件ZSlope 进行数值模拟， 分析了土工格室垫层对边坡安全系数及临界滑动面的影响；邹雨良等[10]使用TiO2水溶胶浸泡土工布,并结合室内紫外线照射、 水洗等试验验证了处理后的土工布抗老化特性。 本文采用PLAXIS-2D 软件对加筋土边坡的安全系数和最大总位移进行了研究，研究了回填土的内摩擦角、界面抗剪强度和加筋土边坡的高度对边坡稳定性和变形的影响，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本次工程项目场地位于陕西省， 地貌类型属山前冲积平原波状平原， 地貌分区属沂沭丘陵平原区。 受人工改造，地形起伏稍大，地面高程一般为3.8—4.5m，堤顶高程一般为8.3—9.0m，地势自西北向东南倾斜，南部属剥蚀构造的低山残丘，有两大地形，即低山残丘和黄泛平原。 气候条件属暖温带半湿润东亚季风大陆性气候区。 夏热冬冷、寒暑交替、四季分明。 四季的特点是：春旱多风、夏热多雨、秋旱少雨、冬寒晴燥。 降雨多集中在七、八两月份，最大年降雨量1 118mm，发生在1964 年；最小年降雨量299.98mm，发生在2002 年。 地基主要为第四系上更新统冲积层（alQ3）粘土，经室内试验测 得 干 密 度 1.38—1.81g／cm3， 孔 隙 比0.486—0.971，压缩系数0.17—0.47MPa-1，局部具中等压缩性，饱和固结快剪强度φ 值15.2°—25.1°，自由膨胀率42%—66%，具弱-中等膨胀性；抗剪强度值18.1—48.1kPa，标准贯入试验锤击数10—13 击。

2 数值模型及计算参数

本次使用有限元分析程序PLAXIS-2D 对加筋土边坡进行建模。 建立的加筋土边坡模型坡角为60°，宽度30m，地基宽度为70m，深度为30m。本分析中使用的加筋土边坡有限元模型为平面应变条件。因为平面应变条件假设z 方向的位移和应变为零，适用于具有均匀横截面的几何模型，以及垂直于横截面（z 方向）一定长度上的加载条件。 此外本构模型采用塑性Mohr-Coulomb 破坏模型来对回填土和具有排水工况的地基土破坏进行模拟。 莫尔-库仑破坏法可以结合强度折减法来确定加筋土边坡的安全分析系数。 边坡模型有限元网格由三角形连续单元离散组成， 钢筋轴向拉伸刚度为10%应变的土工合成材料， 钢筋嵌入长度L=0.70H，钢筋材料的抗拉刚度为1 000kN/m，采用没有抗压强度和弯矩的弹性模型， 土与钢筋的界面行为采用理想弹塑性模型接触模型。 在PLAXIS-2D 软件中， 土与钢筋的界面强度取决于回填土的摩擦角、钢筋对土的承载力以及抗剪强度。 最后，加筋土边坡的面层系统采用了加筋材料包裹系统，土工格栅每层的垂直间距为0.50m，扭曲长度为1.50m，面层系统采用与加筋材料性质相同的弹性模型进行建模。 图1 为本次建立的加筋边坡模型。

图1 加筋边坡模型

表1 给出了土体和钢筋的力学特性。 本文主要研究了边坡高度、界面(土与土工栅格)抗剪强度系数、内摩擦角等参数对加筋土边坡性能的影响，因此边坡高度变化为4m、6m、8m 和10m， 界面抗剪强度系数变化为0.5、0.7 和0.9， 回填土的内摩擦角变化为25°、30°、35°和40°。

表1 土体和钢筋的力学特性

3 数值结果分析

3.1 坡高对加筋土边坡影响

图2 给出了界面抗剪强度等于0.7 时，不同内摩擦角下，不同坡高边坡安全系数变化规律。 由图可知，当坡高位于4—6m 时，同一内摩擦角下，边坡安全系数随坡高的增大而增大；当坡高位于6—10m 时，边坡安全系数呈减小或几乎没有明显变化趋势。 而同一坡高下，边坡安全系数与内摩擦角成正比，但当内摩擦角较小时，安全系数接近于1。本文中当坡高为6m， 内摩擦角为40°时安全系数最大，为1.91；当坡高为10m，内摩擦角为25°时安全系数最小，仅为1.10。 这一变化规律导致加筋土边坡高度对总位移的影响以两种方式呈现， 如图3所示。 当内摩擦较小时，安全系数小于1.17，因此总位移随着加筋土边坡高度的增加而增加， 但当内摩擦角大于30°时, 安全系数大于1.38， 总位移随加固土坡高度的增加基本不变。 这一结果表明加筋土边坡高度不是影响安全系数和最大总位移的独立参数， 由于插入路堤的土工合成材料与加筋土边坡的高度成比例， 将增加加筋土边坡的抗剪强度和被动抗力，并减少对土体的作用力，因此当内摩擦角较大时， 加固土坡的高度不影响安全系数和最大总位移。 相反，当内摩擦角较小时，加固土边坡的高度对安全系数没有影响， 但对最大总位移有很大影响。

图2 不同坡高下边坡安全系数变化

图3 不同坡高下边坡总位移变化

3.2 内摩擦角对加筋土边坡影响

图4 给出了不同坡高下， 回填土的内摩擦角与加筋土边坡安全系数之间的关系。 可以看出，安全系数随着内摩擦角的增加而增加。 在不受加筋土边坡高度影响的情况下，安全系数几乎相同。 这意味着， 通过增加土工合成材料和土壤的界面剪切强度， 回填土的内摩擦角是加筋土边坡的主要参数。 在最大总位移的情况下也发现了同样的关系。 最大总位移随着回填土内摩擦角的增大而减小，如图5 所示。 当内摩擦角为35°和40°时，最大总位移小于0.1m， 当内摩擦角分别为25°和30°时，最大总位移迅速增加，尤其是当加筋土边坡高度较高（H=10m）时，因为安全系数接近1，加筋土边坡几乎发生破坏。

图4 不同内摩擦角下边坡安全系数变化

图5 不同内摩擦角下边坡总位移变化

3.3 界面抗剪强度对加筋土边坡影响

在PLAXIS-2D 中，土体和土工合成材料之间的摩擦力可以用R 界面来模拟， 表示摩擦力与回填土内摩擦角的比值。 如果R 界面等于1，则意味着土壤和土工合成材料之间的摩擦力与土体中的摩擦力相同， 因此在本研究中，R 界面的变化范围约为0.5、0.7 和0.9。 图6 给出了不同回填土的内摩擦角下， 加筋土边坡高度等于8.0 m 时，R 界面和安全系数之间的关系。 由图可知，在所有内摩擦角情况下，安全系数都随着R 界面的增加而增加。由于R 值是施工后产生的， 土工合成材料和土壤之间表面的抗剪强度取决于土工合成材料的类型、尺寸和形状以及回填土壤的类型。相反，在图7中，最大总位移随着R 界面值的增加而减小，当回填土的内摩擦角较低时，最大总位移的很大，但当内摩擦角较大（大于30°），最大总位移几乎随R 界面的增加而保持不变。

图6 界面抗剪强度系数与安全系数之间的关系

图7 界面抗剪强度系数与边位移的关系

4 结论

加筋土工合成材料具备优越的抗震性能。 本文通过PLAXIS-2D 对加筋土边坡的性能进行了研究后得出， 回填土的内摩擦角是影响加筋土边坡安全系数和最大总位移的重要参数， 而界面剪切强度由于是摩擦与内摩擦角的比值， 设计时可用作补偿参数使用。 而对于加筋土边坡的高度，其对边坡安全系数影响不大， 但会对边坡最大总位移产生间接影响。 此外，当内摩擦较小时，最大总位移随着加筋土边坡高度的增加而增加， 但当内摩擦较大时， 最大总位移几乎与加筋土边坡高度一致。 因此在加筋土边坡施工中，应当增加土颗粒和加筋材料之间的摩擦力，从而提高边坡的稳定性。