土工织物加筋垫层在堤坝软基加固上的应用

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【摘要】 本文采用比奥固结非线性有限元法等数值计算方法，通过福清过桥山围垦工程实例，对铺设和不铺设土工织物加筋垫层两种情况分别进行地基的稳定和变形分析，探讨土工织物加筋垫层的作用机理及效果。

【关键词】 软土地基 加固处理 土工织物

一 概述

在软土上修建堤坝，由于软土强度较低，压缩性较大，容易产生地基破坏和过大的沉降和不均匀沉降。为了保证堤坝的稳定，常常要对软土地基进行加固处理。土工织物加筋垫层是通过堤底面铺设土工织物与砂石等组成的加筋体，保持基底完整连续，约束地基软土的侧向变形，从而提高地基的承载力和稳定性。以下就福清过桥山围垦工程，通过地基的稳定和变形分析，探讨土工织物加筋垫层的作用机理及效果。

过桥山围垦工程位于福清市新厝乡与江阴镇交界地带，围垦面积两万余亩，围堤全长940m，最大堤高14.5m。地基为深厚的淤泥土，厚12～16m，其含水量W为60%～80%，孔隙比e为1.7～2.1，压缩系数a为0.65～0.85MPa-1，不排水抗剪强度Cu=7.6kPa、φu=0.3°。由于该工程存在堤身高、地基软弱、以及风浪潮汐等因素的影响，工程施工难度很大。为提高软土地基的稳定性，施工采用打设塑料排水板的加固措施，以加速淤泥层的排水固结，提高地基强度。但由于地基的稳定性尚嫌不足，所以又进一步考虑采用砂垫层中铺设土工织物，通过土工织物的加筋作用，以提高一定的安全系数，使地基的稳定性得到满足。

二 地基的变形分析

1.计算模型和参数选用

变形分析采用比奥固结非线性模型编制的四节点等参单元有限元程序，考虑到土工织物是一种只能受拉，不能受压和受弯的柔性材料，根据土工织物在土体中的实际受力情况，对土工织物分别进行拉伸、摩擦和拉拔试验。其试验成果见图1所示，当土工织物的应变在应力峰值出现之前，应力和应变关系可近似地看成直线；当垂直于土工织物平面的正压力不同时，直线的斜率就不同。土工织物的模量随着正压力的增大而增大，其关系式可用下式表示。

E织物=n0(lgσn+ko)(1)

式中，σn为土工织物所受的竖向正压力(kPa)，n0=1.3×105，k0=1.66。

堤身和地基土采用邓肯――张双曲线模型，根据三轴试验结果和参考其它工程经验，其计算参数如表1所示。

2.计算成果分析

计算断面的网络划分为211个结点，181个单元，施工进度分五级加载，分别对铺设和不铺设土工织物两种方案进行电算。当竣工时（3年3个月），其沉降量、侧向位移和孔隙水压力的计算结果如下。

地面沉降（见图2）：铺设土工织物较不铺设土工织物的沉降量和不均匀沉降量均有所减小。最大沉降量，前者为254，后者为284。

地基侧向位移（见图3）：铺设土工织物的侧向位移有较为明显的减少。最大侧向位移，外侧：铺设为37，不铺设为48；内侧：铺设为43，不铺设为59。

孔隙水压力：由于两种方案孔隙水压力消散的边界条件相同，因此计算得到的孔隙水压力分布情况也相同。竣工时，中间的平均固结度为75%。

由此可见，铺设土工织物垫层对于改善基底的应力分布，减少地基的变形量是有利的，尤其对于减少侧向位移，其作用效果更为显著。由于地基的稳定性与塑性区开展范围的大小有关，侧向位移减小，地基中的最大剪应变也减小，最大剪应变的减小又使得地基的塑性区范围缩小，地基的稳定性就提高。

三 地基的稳定分析

在极限平衡法中，安全系数是以抗滑力矩与滑动力矩之比值来定义的。土工织物对稳定性所发挥的作用是通过将其允许承担的拉力转变为一个抗滑力矩来考虑的，其力矩的大小为土工织物拉力的切向分量与滑弧半经的乘积，安全系数可由式(2)获得：

Fs=（M抗滑动+M）/ M滑动 （2）

式中，M为土工织物提供的抗滑力矩。

土工织物的拉力根据拉抻试验得到，采用条带拉伸强度值，T=39.8kN/m。地基的强度指标按照固结度U的大小，由三轴不排水剪试验（UU）和固结不排水剪试验（CU）的结果内插求得。如：当固结度U=0时，C=7.6kPa、φ=0.3°（UU的结果）；当固结度U=100%时，C=0kPa、φ=14.0°（CU的结果）。地基的稳定计算考虑到施工的不同阶段，如施工高程分别为2.0m、4.6m、7.3m三种情况，也考虑到有无地震（地震烈度为7度）的影响。其计算结果如表2所示，表中全断面为竣工时（3年3个月）的断面。从表2的计算结果可见，全断面内坡的安全系数最小，稳定性最差。若采用土工织物垫层，排水板宽度为70m，安全系数得到满足；若不采用土工织物垫层，排水板宽度需打设到75m，安全系数才能得到满足。因此，采用土工织物垫层可以适当地减小排水板的打设范围，而且还可提高外坡的稳定性，使得外坡的稳定也能得到满足。

四 结束语

1.从考虑铺设土工织物的稳定分析结果来看，虽然安全系数只提高2%～5%左右，其作用似乎不够明显；但从地基的变形分析结果来看，通过土工织物的受拉作用，调整了基底的应力分布，约束地基软土的侧向变形，地基的塑性区范围也缩小了一些，从而提高地基的承载力和稳定性。因此，可以认为铺设土工织物加筋垫层对于减小堤基的变形量（尤其侧向位移），提高地基的稳定性是有作用效果的。

2.有限单元法考虑到土与土工织物之间的相互作用和变形之间的协调性，是一种分析土工织物作用机理和作用效果的有效方法。其优点在于能在计算中模拟施工进程，体现坝体、地基和筋材从施工兴建、至竣工以及运行期的应力与应变全过程。

3.土工织物垫层的作用效果本文仅从理论上进行了分析，对于其实际情况，尚需进行必要的施工监测工作，综合理论分析和现场测试两个方面来进一步研究和探讨。

参考文献

〔1〕中华人民共和国水利部，土工合成材料测试规程，北京：水利电力出版社，1999。

〔2〕俞仲泉、顾家龙，应用土工织物加固海堤软基的工程实例，全国第五届土工合成材料学术会议论文选集，现代知识出版社，2000，10：P311-317。