码头护岸边坡填筑体加筋参数优化研究

摘要：随着码头护岸边坡的发展，填筑体加筋参数优化研究对提升边坡稳定性变得越来越重要。通过对边坡填筑体加筋的室内模型试验与数值分析，探讨了加筋参数对边坡稳定性的影响，得出了加筋参数综合优化组合。研究结果表明：加筋对土体位移有约束作用，埋置深度对土体位移影响最大，过大的竖向土压力会造成土工格栅的侧向变形大，甚至破坏。土工格栅埋置比固定后，土体下沉量和加固深度趋于稳定，为防止格栅位移过大导致破坏，应选择较小间距。对加筋参数的优化，可以有效地提高码头护岸边坡的稳定性，减少工程风险。

关键词：码头护岸边坡工程填筑体参数优化室内试验数值模拟

中图分类号：U442.55

StudyonReinforcementParameterOptimizationofWharfRevetmentSlopeFillingBody

SHENGQiao

CRCCHarbourand ;ChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430000China

Abstract：Withthedevelopmentofwharfrevetmentslope，studyontheoptimizationofreinforcementparametersoffillingbodyismoreandmoreimportanttoimprovethestabilityofslope.Throughtheindoormodeltestandnumericalanalysisofthereinforcementoftheslopefillingbody，theinfluenceofthereinforcementparametersontheslopestabilityisdiscussed，andthecomprehensiveoptimizationcombinationofthereinforcementparametersisobtained.Theresultsshowthatthereinforcementhasarestrainingeffectonthedisplacementofthesoil，andtheburialdepthhasthegreatestinfluenceonthedisplacementofsoil.Excessiveverticalearthpressurewillcauselargelateraldeformationofthegeogrid，orevendamage.Aftertheburialratioofgeogridisfixed，thesoilsubsidenceandreinforcementdepthtendtobestable.Inordertopreventthedamagecausedbytheexcessivedisplacementofgeogrid，asmallerspacingshouldbeselected.Theoptimizationofthereinforcementparameterscaneffectivelyimprovethestabilityofthewharfrevetmentslopeandreducetheengineeringrisk.

KeyWords：Wharfrevetment;Slopeengineering;Fillingbody;Parameteroptimization;Indoortest;Numericalsimulation

针对填方边坡加筋土的参数设计技术，研究人员从边坡稳定性、筋土界面特性以及加筋后边坡整体的抗震特性方面进行了研究。张玮鹏等人[1]、胡卫东等人[2]建立填方加筋土坡合理的临界高度计算方法。徐超等人[3]、廖鸿等人[4]认为土工合成材料加筋土有较好的抗震性能。贾卓龙等人[5]揭示了不同压实条件下加筋土体的垂直入渗规律。何红忠等人[6]利用有限元软件评估了土工格栅加筋处置该路堑边坡的合理性。蔡晓光等人[7]对于加筋高边坡设计进行研究，认为最大安全影响因素是降水。何必伍等人[8]通过室内试验与数值模拟研究了挖方碎石土混合料作为填方加筋边坡的回填料的工作性能，表明碎石土混合料土石质量比不大于3∶7填筑时可满足设计要求。

综上所述，多数情况下将加筋与动力（例强夯法）加固作为单独加固技术进行考虑，这与真实的工程现状是不符。以武穴港某码头填方边坡工程加筋填筑体为研究背景，采用控制变量法设计室内试验。考虑加筋体的性质，采用有限差分软件对土工格栅埋置深度、间距和数量不同组合下，加筋填筑体的加固效果与受力变形特性进行研究。通过极差和方差分析，得出填方体加筋优化参数。

1填筑体加筋模型建立

1.1模型试验制备及参数设置

试样原材料来源于武穴港某码头填方边坡工程，参照相关标准《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）制作试样。采用击实试验确定土样最大干密度为1.74g·cm3，最优含水率为11.50%。对最优含水率下的土试样进行固结不排水三轴试验，经计算得出土试样物理力学特性，如表1所示。基于相似原理设置试验参数，在施工现场采用强夯法对填方填筑土体进行加固施工，其中夯锤重200kN，落锤间距为10m，夯击能达2000kN·m。在模型试验中采用的夯锤重25N，落锤间距为1m，夯击能达25N·m。因此，夯锤与落锤间距相似比为1∶8000与1∶10.因此可知模型与原型应力与位移相似比为1∶80和1∶10。

1.2模型设备安装与数据采集

模型试验设备主要由动力装置、试验箱、传感器及数据采集系统组成。将模型箱前表面划分为4cm×3cm网格，用以监测试样土的变形。由于设计对于土体变形、应力、加固有效范围、土工格栅变形量及应变值的监测，因此采用微型土压力盒对加筋加固土体进行量测。土压力盒分别在夯锤正下方与模型箱侧面分别设置3个压力盒（P1～P6），间距65cm。此外，为深入了解夯锤的动能传递与动能应变的作用特性，在夯锤下部处的土工格栅纵筋处设横向置10个应变片，间距3cm水平排列。

1.3模型试验方案设计

采用控制变量法研究填方加筋土在强夯作用下的加固效果，设定加筋土中土工格栅的埋置比Ai（土工格栅的埋置深度与单次夯击后土体下沉量比值）i为2、3、4、5；层数Ni，其中i为2、3、4、5；间距Li，其中i为20cm、40cm、60cm、80cm，设置三因素四水平代码如表2所示。设置12组对照试验如表3所示。为提升试验结果的可靠性，按照土试验的最佳含水率进行配置土，同时严格控制每层土填筑厚度，使土体干密度在1.62g·cm-3以上。

2模型试验结果分析

2.1地基土竖向位移

采用模型箱进行试验后可知，所有的设计试验组下地表沉降差异性较小，但土体深处的差异性较为明显。在设置埋置比、土工格栅层数、土工格间距不同的条件下，地表位移较小，其原因在于土体竖向位移受到土工格栅的约束，夯击时能量被土工格栅吸收。图1反映了加筋层数与间距变化，土体竖向位移变化不明显，第一层土工格栅的埋置深度不变时，其余各层加筋间距与层数影响较小。

2.2动土应力

2.2.1竖向土压力

由图2可知，对填筑土体进行加筋可明显约束竖向土压力。在土体深度220cm处，竖向土压力在无筋与有筋条件下分别为251kPa与117kPa（A3）。通过图2（b）中可知，加筋可有效降低竖向土压力。但是，这种约束土压力的效果是与深度呈负相关的，在深度300cm以下时约束效果趋于消失，这一深度的约束效果与无筋土的对照组的试验结果是一致的。深层土由于竖向土压力不足不易被压实。因此，若竖向土压力小，则深层土压实度不高，若竖向土压力大，则使工格栅的侧向变形较大。同时，采用强夯法施工加固土体时，引发的卸后回弹产生的隆起，不利于土体的长期固结与边坡的长期稳定性。

2.2.2侧向土压力

通过试验结果可知，侧向土压力受土工格栅的约束，约束效果与筋材埋置比成正比。由图3（a）可知，A2条件下有筋与无筋条件下侧向土压力相同。在A3条件下，相较于无筋试验组，侧向土压力减小约23.5%。由图3（b）可知，土体深度变化与侧向土压变化相似，这与竖向压力变化类似。在320cm处的约束压力较大，可达11.8kPa。然而，通过试验发现侧向土压力受层数N的影响并不明显。侧向土压力在N1、N2、N3与N4条件下，其变化趋势相似。侧向土压力受土工格栅间距影响较为明显。当深度于250cm时，L1、L2、L3与L4条件下侧向土压力变化趋势均不相同，相较于无筋试验组侧向土压力均较小。

3加筋体参数优化研究

3.1建立数值分析模型

基于模型试验，采用Flac3D有限差分软件，选取合适的建模范围，进行数值模拟研究。为尽量真实模拟填筑加筋土体在夯击时的特性，模型长宽高设置为1.6m×1.6m×1.0m。夯击范围为半径6cm的圆。模型采用MC（摩尔库伦）弹塑性本构模型，模型底部设置阻尼器吸收入射波，四周设置自由场边界。数值计算参数与模型试验参数相同，如表1所示。其中体积模量为3.75MPa剪切模量1.73MPa。土工格栅参数其弹性模量为25GPa，厚度为5mm，剪切模量2.3MPa，泊松比0.33。数值计算模型采用瑞利阻尼，主要参数为最小临界阻尼比和中心频率，本文取最小临界阻尼比为5%。动力计算参数如表4所示。

3.2正交试验设计及计算结果

填方地基土加固效果的影响因素主要表现在土体侧向位移、侧向土压力、土工格栅变形量与土体的变形量5个方面。在控制变量试验中主要考虑了埋置比、土工格栅层数与间距这3个因素，对土工格栅本身材料性质未进行充分考虑。因此，在数值计算分析时，将土工格栅的弹性模量、内摩擦角作为正交试验考虑的影响因素。由于土工格栅弹性模量较大，取0.2为折减系数。为优化试验方案，则通过正交试验表进行设计试验方案，分别为25组单独试验组。各影响因素与水平安排如表5所示。

3.3计算结果分析

由图4可知，通过对正交计算结果极差与方差分析可知最佳优化水平组合为：埋置比K5取值为6、土工格栅层数K3取值为4、土工格栅间距K3取值为6cm、弹性模量K3取值为1GPa、内摩擦角K4取值为40°。通过对参数优化可为加筋参数设计提供有益参考。

4结论

本文通过控制变量法与正交法设计模型和数值试验，针对武穴港某码头填方边坡工程填筑土体加筋参数优化进行研究，得出以下结论。

（1）加筋对土体位移有约束作用，埋置深度对土体位移影响最大，过大的竖向土压力会造成土工格栅的侧向变形大，甚至破坏。

（2）土工格栅埋置比固定后，土体下沉量和加固深度趋于稳定。格栅层数增加会减弱加筋效果，间距增大则应力增大，但随水平距离增加而减小。为防止格栅位移过大导致破坏，应选择较小间距。

（3）通过极差分析和方差分析，加筋参数综合优化组合为：埋置比K5取值为6、土工格栅层数K3取值为4、土工格栅间距K3取值为6cm、弹性模量K3取值为1GPa、内摩擦角K4取值为40°。

参考文献

[1] 张玮鹏，李冬冬，曾光辉，等.非线性条件下加筋土边坡上限法的研究[J].长江科学院院报，2020，37（6）：108-114.

[2] 胡卫东，谭建辉，曾律弦，等.变形协调条件下非线性破坏准则的加筋土坡临界高度上限解[J].水文地质工程地质，2018，45（4）：45-51，58.

[3] 徐超，罗敏敏，任非凡，等.加筋土柔性桥台复合结构抗震性能的试验研究[J].岩土力学，2020，41（S1）：179-186，94.

[4] 廖鸿，徐超，杨阳.某机场飞行区土工格栅加筋高边坡优化设计[J].水文地质工程地质，2021，48（6）：113-121.

[5] 贾卓龙，梁哲瑞，晏长根，等.聚丙烯纤维加筋黄土抗渗性能试验研究[J/OL].工程地质学报，1-11[2023-12-04]https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2023-0098.

[6] 何红忠，陈子昂.岩屋庙膨胀土路堑边坡失稳特征及治理措施研究[J].浙江工业大学学报，2023，51（5）：530-536.

[7] 蔡晓光，王学鹏，吴琪，等.凤庆机场场区土工格栅加筋高边坡设计[J].建筑结构，2022，52（S1）：2662-2666.

[8] 何必伍，徐国元，黄文通，等.碎石土混合料在加筋高边坡中的应用[J].河南科技大学学报（自然科学版），2020，41（4）：52-60，7-8.