土工格室选型对库岸边坡稳定性的影响

王跃锋

（山西省阳城县水务局，山西 晋城 048199）

1 引 言

土工格室被广泛应用于工程界，具有材质轻、耐磨性好、施工简便等优点。将松散的碎石、土体等填入土工格室，可以很好的限制填料侧向位移，并能提高结构整体刚度。

系统考虑土工格室参数对边坡稳定性的影响，利用有限元软件建立边坡三维数值模型，采用强度折减法分析计算土工格室弹性模量、高度形状对边坡安全系数和水平位移的影响。

2 实例分析

以某库岸边坡为例，采用有限元软件建立库岸边坡模型，分析不同类型的土工格室对库岸边坡稳定性的影响。主要考虑土工格室弹性模量、高度、形状对边坡稳定性的影响，土工格室具体参数见表1。

表1 土工格室具体参数表

2.1 有限元模型的建立

设置边坡模型高度10 m，厚度2 m，宽度27 m。前人研究表明，加筋材料布置在高度H/3、H/2、3H/4、7H/8处，可以取得较好的加筋效果。模型中将土工格室布置在边坡3.30、5.00、7.50、8.75 m 处，嵌入长度为4 m。通过有限元软件建立三维数值模型，采用Drucker-Prager 准则，将土工格室嵌入土体模拟加筋材料层与结构间的相互作用，土工格室采用四节点四边形壳单元网格划分，土体采用八节点六面体单元网格划分，并通过强度折减系数法对模型参数进行计算。

2.2 计算结果分析

2.2.1 安全系数计算

安全系数是指土体抗剪强度值与抗滑移面的实际剪应力值之比，常被用来评价边坡的稳定性。土工格室参数对格室加筋边坡结构的安全系数计算结果见表2。

表2 不同类型土工格室加坡的安全系数计算结果表

由表2可知，土工格室弹性模量为25 MPa 时，不同高度土工格室加筋边坡安全系数分别为1.80、1.72、1.61；土工格室弹性模量为50 MPa 时，不同高度土工格室加筋边坡安全系数分别为1.83、1.78、1.70；土工格室弹性模量为70 MPa 时，不同高度土工格室加筋边坡安全系数分别为1.92、1.86、1.74。经土工格室加筋后的边坡安全系数值均大于1，处于安全稳定的状态。试验结果表明，土工格室弹性模量及高度对边坡安全系数值有很大影响。边坡安全系数随着土工格室弹性模量的增大而增加。以10 cm高土工格室为例，70 MPa弹性模量土工格室加筋边坡结构的安全系数为1.92，相较于25 MPa、50 MPa弹性模量的土工格室，其安全系数分别提高了6.70%、4.90%。从土工格室高度来看，高度越低，边坡结构的安全系数越高。

2.2.2 土工格室高度对边坡稳定性的影响

图1表示不同土工格室高度对水平位移的影响。可以看出，边坡坡脚处水平位移最小。水平位移变化规律呈外凸型，随着边坡高度的增加，水平位移逐渐增大，达到最大位移处后再随高度逐渐减小。经有限元计算得，最大位移出现在边坡高度6.00～7.50 m处。图1（a）、（b）、（c）分别为25、50、70 MPa的土工格室水平位移图。不同弹性模量土工格室加筋情况下，高度对土工格室水平位移的影响规律表现相同的趋势。采用25 MPa弹性模量的土工格室加筋边坡时，土工格室高度为10、20、40 cm时土工格室最大水平位移分别为2.55、4.42、6.47 cm；50 MPa弹性模量的土工格室加筋边坡时，10、20、40 cm高度的土工格室最大水平位移分别为2.49、2.64、3.87 cm；选用70 MPa弹性模量的土工格室加筋边坡时，不同高度下土工格室最大水平位移分别为1.87、1.92、2.73 cm；试验表明，低高度的土工格室加筋库岸边坡具有更好的加筋效果。同时观察图1（b）、（c），随着土工格室弹性模量的增大，可以降低由土工格室高度因素造成的土工格室水平位移增大的影响。在实际工程中，同等弹性模量土工格室的情况下，建议采用较低高度的土工格室。

图1 高度对土工格室水平位移的影响图

2.2.3 土工格室弹性模量对边坡稳定性的影响

分别统计10、20、40 cm在弹性模量为25、50、70 MPa土工格室水平位移。结果表明弹性模量对土工格室水平位移的影响规律与高度对其影响规律相似，土工格室水平位移随着边坡高度的增加先增大后逐渐减小，最小位移发生在坡脚处。10 cm高度土工格室加筋边坡时，70 MPa 弹性模量的土工格室最大水平位移仅为1.87 cm，50、25 MPa弹性模量的土工格室最大水平位移分别为2.49、2.55 cm。这表明土工格室弹性模量变化对于边坡稳定性影响较大。弹性模量越大意味着土工格室具有更高的材料强度，在加筋时具有很好的稳定性，因此在实际工程中，宜采用高弹性模量的土工格室。

2.2.4 土工格室形状对边坡稳定性的影响

上述研究表明，70 MPa弹性模量、10 cm高度的土工格室在加筋库岸边坡时具有很好的加筋效果。为研究土工格室形状对边坡加筋效果影响，基于此施工工况，对形状分别为圆形和方形的土工格室加筋边坡有限元模型进行数值计算分析。土工格室设置在边坡较低处时（0～3.65 m），土工格室形状对土工格室位移影响较小，圆形土工格室和方形土工格室发生的水平位移量基本一致，随着土工格室布置高度的增加，土工格室形状对其水平位移的影响逐渐增大。结果表明，土工格室形状亦会对边坡稳定性产生影响，圆形土工格室的最大水平位移较方形土工格室的最大水平位移减小了29.43%。相同长度和宽度下，圆形土工格室较方形土工格室具有更大的格室面积，提高了边坡整体的稳定性及安全性。

3 结论

①所有类型土工格室对库岸边坡均具有较好的加筋作用，加筋后的库岸边坡安全系数值均大于1。土工格室弹性模量越大、土工格室高度越小，边坡越稳定。从安全系数角度看，宜采用10 cm高度、70 MPa弹性模量的土工格室。②土工格室最大水平位移发生在边坡高6.00～7.50 m 处。土工格室水平位移随土工格室弹性模量的增大而减小，随着土工格室高度的增加而增大，在同类型土工格室工况下，圆形土工格室加筋边坡时发生的水平位移相较方形土工格室水平位移更小。③综合考虑土工格室弹性模量、高度、形状对库岸边坡稳定性的影响，宜采用高弹性模量、低高度的圆形土工格室加固库岸边坡。