基于土工织物加筋河堤冲刷稳定性的有限元分析

冯姗姗

（本溪市水务事务服务中心，辽宁 本溪 117000）

1 引言

使用土工织物作为加固形式的实践极大地推进了路堤结构的设计并改善了其性能[1]。土工织物管最初用于污染材料的封闭和脱水，目前用作挡土结构。高强度土工织物管已在世界范围内成功应用于河岸和海岸防护结构的建设，如围堤、护岸、丁坝和海堤等[2]。土工织物管由坚固、可持续和可渗透的纺织纤维制成，可容纳、过滤和加固土壤。土工织物结构的完整性取决于所使用的填充材料和土工合成材料的类型[3]。此外，填土和土工织物的渗透性对管结构有显著影响[4]。然而，目前关于堆积土工布管在冲刷作用下的稳定性研究很少。显著的冲刷通常发生在面向海岸的土工织物管的侧面，这是由波浪、潜流驱动的水流造成的[5]。

笔者使用商用有限元软件PLAXIS 2D 8.2 来评估各种地基条件下，在正常和临界荷载条件下保持路堤并承受冲刷的堆叠土工织物管结构的性能。本研究的重点是通过有限元分析，评估如果发生冲刷堆叠土工布管的整体安全系数。

2 模型研究

2.1 模型概况

本研究采用了北沙河流域位于本溪市高新区的路堤填料、土工织物管填料和道路路堤部分的地下土壤剖面的物理特性。三层堆叠土工织物管用于支撑10.4 m高的路堤。第一层和第二层中的土工织物管的理论直径为4.0 m，最顶层的理论直径为2.0 m。路堤土体垂向组成由上至下依次为：粉砂9 m、砂7 m、淤泥7.5 m、砾石2 m、黏土12 m、砾石2.3 m、风化土2.2 m和风化岩4 m。最高水位大约为5.2 m。

将路堤模拟为二维平面应变对称。PLAXIS 2D是一个岩土工程软件程序，专门用于分析岩土工程项目中的变形和稳定性，如开挖、基础、路堤和隧道。模型路堤部分，如图1所示。

图1 平面应变对称路堤模型

2.2 材料特性

土工织物管填料、路堤填料和地下土壤被建模为线弹性材料。基本输入参数是干容重（γu）、饱和容重（γs）、弹性模量（E）、渗透系数（k）、泊松比（μ）、黏聚力（c）、剪胀角（Φ）和摩擦角（Ψ）。土壤特性参数由三轴和原位试验确定，结果详见表1。土工织物管采用弹性材料类型进行建模。施工中使用的土工织物管的厚度为3 mm，弹性模量为7.034 6×109Pa。土工织物管的物理特性，详见表2。

表1 土体特性参数

表2 土工织物物理特性

2.3 边界条件和网格生成

风化岩层上方的土壤剖面是一种非常坚硬的土壤，其垂直和水平地面运动可以忽略不计。因此，总的固定性被分配到底层，在那里它被认为是完全刚性和不可渗透的。另一方面，垂直边界条件对于水平移动是固定的，但允许沿垂直方向自由移动。十五节点三角形单元用于离散土工织物管填料、路堤填料和底土。界面元素用于模拟土壤和土工织物之间的滑动。路堤模型的网格单元，如图2所示。

图2 有限元网格的路堤模式

3 有限元模拟

3.1 有限元模拟案例

将经过地基改良和加固的土工织物管路堤系统的性能结果与未经地基改良和加固的土工织物管路堤系统的性能结果进行了比较。采用有限元法分析了5 种土工织物管路堤系统。5 种路堤系统的特性和横截面细节，如图3 所示。①案例1：平坦地面基础上的传统土工布管堆放，如图3（a）所示。②案例2：砾石垫层基础上的土工布管堆放。这种方法的基本原理是通过骨料互锁机制增加底部摩擦力，从而增加土工织物管结构的稳定性，并在其底部提供更坚固的基床，如图3（b）所示。③案例3：开挖基础上的土工布管堆放。在放置和填充土工织物管之前，进行0.5 m深的开挖，这种情况下的横截面如图3（c）所示。④案例4：开挖基础上铺设砾石垫层的土工布管堆放。在定位和填充土工织物管之前，进行0.8 m 深的开挖，然后将0.3 m 厚的砾石垫层铺设到开挖底部并压实，如图3（d）所示。⑤案例5：通过抛石保护加固堆叠的土工织物管。在填筑和堆积施工之后，在土工织物管的表面建造巨砾或碎石。这种方法将提供额外的路堤滑动阻力，并为脆弱的土工织物提供保护，如图3（e）所示。

图3 5种案例示意

3.2 冲刷模拟

在本研究中，在堆叠土工织物管的底部没有应用冲刷。这种分析是在假定冲刷护岸已经失效，并且在土工织物管路堤的底部和坡脚已经发生冲刷的情况下进行的。冲刷是通过物理移除土工织物管路堤底部和趾部的模拟几何形状中的一些土壤团来模拟的。所有土工织物管路堤系统的最大冲刷深度设定为0.5 m。

3.3 分阶段施工

分阶段施工能够准确、真实地模拟各种装载、施工和挖掘过程。土工织物管路堤模型的施工阶段，如图4 所示，图中的数字代表每个路堤系统模拟分析期间的顺序。

图4 土工织物管路堤模型的施工阶段

4 模拟结果和分析

4.1 正常荷载条件

模拟结果显示，正常荷载条件下，冲刷前和冲刷后路堤剖面土工织物管的最大水平位移发生在土工织物管的底部。随着附加地基改良和加固的应用，堆叠土工织物管的滑动阻力增加。在有冲刷和无冲刷时，如果进行地基改良和加固，那么堆积土工织物管水平位移均减少。现将路堤系统水平位移的减少百分比（%d）定义为：

式中：xC1是案例1 土工织物管路堤系统的水平位移（m）；xCn为案例2—5 土工织物管路堤系统的水平位移（m）。

砾石垫层上的土工织物管的滑动稳定性略有提高，有冲刷和无冲刷时相对于案例1水平位移的减少百分比，如图5所示。对于案例3和案例4来说，在堆叠土工织物管的底部形成被动阻力。案例5中的路堤系统具有最大的抗滑性，因为增加了抛石护岸。

图5 相对于案例1的案例2—5水平位移的减少百分比

4.2 临界荷载条件

临界荷载条件下路堤系统的水平位移几乎是正常荷载条件下路堤系统水平位移的2 倍。模拟结果显示，最大水平位移发生在底部土工布管层。堆叠土工织物管的滑动稳定性随着附加地基改良和加固的应用而增加。在有冲刷和无冲刷时，如果进行地面改良和加固，那么堆积土工织物管水平位移将会减少。

4.3 安全系数

在正常、临界荷载状态下有无冲刷时，案例1—5的整体稳定性详见表3。

表3 路堤系统整体稳定性安全系数

带抛石保护的土工织物管路堤（案例5）为所有研究的土工织物管路堤剖面整体稳定性最高的情况。

当结构受到冲刷或达到临界状态时，土工织物管路堤的整体稳定性会降低。对于冲刷状态下的案例5来说，在正常状态下，土工织物管路堤挡土结构的整体安全系数FS 相对于无冲刷的正常荷载条件至少下降了13%，如图6所示。

图6 相对于无冲刷的正常荷载条件比较

显然，土工织物管路堤系统的抛石防护的额外改进增加了挡土结构的整体稳定性。现将路堤系统整体稳定性的减少百分比（%FS-d）定义为：

式中：FSC1是案例1 路堤系统的安全系数；FSCn是案例2—5路基系统的安全系数。

5 结论

本研究采用PLAXIS 2D 进行有限元分析，以模拟和了解不同条件对土工织物管整体稳定性的影响，并评估各种缓解和预防措施的性能，主要结论为冲刷对土工织物管路堤系统的变形特性和整体稳定性有显著影响。实际施工中，应用的地基改良和抛石护岸工程改善了填砂土工织物管支撑路堤的整体性能和稳定性。与传统的土工织物管设计和施工方法相比，采用砾石地基法和开挖法等地基改良方法后，土工织物管路堤的水平位移通常较小。开挖基础与砾石垫层的结合共同提高了土工织物管系统的整体性能；然而，这种方法也增加了施工成本，并可能进一步延长工期。因此，开挖基础的路基结构提供了经济的选择。抛石防护的加固方法最大限度地提高了土工织物管路堤系统稳定性的整体性能。此外，抛石护岸还能保护脆弱的土工织物管免受破坏性因素的影响，如水波力、水流、尖锐物体和紫外线降解。