土工加筋直升機臨時起降平臺數(shù)值模擬分析

馬 超，徐 倩，樊 軍

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

1 研究背景

土工加筋技術(shù)由法國工程師亨利·維達爾在1963年首先提出，并在工程中開始使用，我國自20世紀80年代初開始應(yīng)用加筋土技術(shù)，迄今已在全國建成加筋土工程逾千座，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。加筋土技術(shù)的設(shè)計理論和施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公路路堤、路塹、橋臺、引道、匝道，鐵路路基、內(nèi)河港口碼頭、導(dǎo)堤、護岸等支擋建筑物，水利工程中的河岸整治、水壩、河流、湖泊、海岸等灘涂圍墾等［1］。

將加筋土技術(shù)應(yīng)用于直升機臨時起降平臺的構(gòu)筑，不僅費用低，同時在時間上也較快，可以在抗震救災(zāi)、現(xiàn)代戰(zhàn)爭等中取得絕對優(yōu)勢。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)對軟土地基上土工加筋直升機臨時起降平臺進行數(shù)值分析，探討在不同類型的軟土地基上的臨時起降平臺的適用性以及加筋層數(shù)對起降平臺在變形和應(yīng)力上的變化特性。

2 加筋機理

土工織物亦稱土工聚合物，應(yīng)用于工程上主要起滲流排水作用、對2種不同材料的隔離作用、網(wǎng)孔滲透的過濾作用以及利用土工聚合物強度的加筋作用等。由于土工織物有較高的強度和韌性等力學(xué)性能，且能緊貼于墊層材料的表面，在荷載的作用下，土工織物與土體顆粒接觸面的摩擦力使墊層中的土體顆粒沿作用面移動受到限制，顆粒間的聯(lián)絡(luò)增強。復(fù)合墊層具有一定的抗拉、抗剪強度，抑制了墊層的拉斷、沖切破壞，提高了墊層的整體效果。

若將不能產(chǎn)生側(cè)向膨脹(與土相比)的拉筋埋入土中，利用拉筋與土間的摩擦力作用，阻止側(cè)向膨脹，猶如施加了一個水平作用力，當垂直壓力增加時，水平約束力必成比例增加。只有當土與拉筋間失去摩擦力或拉筋被拉斷，土體才產(chǎn)生破壞。

土工織物用于處理軟土地基的方法主要有淺層處理法和深層處理法。淺層處理法是把土工織物鋪設(shè)在超軟土地基上，用以確保施工機械的可行駛性，同時通過均等承受填方荷載，減少地基的局部下沉和側(cè)向位移，從而提高地基的承載力［2］。土工加筋直升機臨時起降平臺即利用土工織物的淺層處理法原理，在軟土地基上快速修筑一個可供直升機臨時起降的平臺，解決戰(zhàn)時或農(nóng)林、氣象、救災(zāi)、航測、海洋、環(huán)保、科考、救援、娛樂、公務(wù)、旅游、安防等方面的直升機停機問題。

3 直升機輪胎荷載簡化

為更好地適應(yīng)不同重量的直升機，提高應(yīng)急起降平臺的適應(yīng)性，把直升機的重量分為4級，8 t以下為A 級，8～12 t為B 級，12～16 t為C 級，16 t以上為D級［3］。在設(shè)計時，每一級均取該級中的最大重量作為設(shè)計標準。其中，D級的重型直升機重量從20～56 t不等，對起降場的要求極高，不在本文考慮范圍內(nèi)。各級直升機相應(yīng)的應(yīng)急起降平臺分別設(shè)計為A，B，C 級。

直升機的起落架形式對應(yīng)急起降平臺的荷載分布也有較大的影響，本文主要以后三點式起落架單旋翼正常式布局直升機作為計算依據(jù)。

對于臨時起降平臺，只考慮靜荷載，即在直升機停駐以后能保證直升機不陷入或失穩(wěn)，國內(nèi)航空輪胎設(shè)計標準多數(shù)基于汽車輪胎［4］，汽車輪胎的標準靜內(nèi)壓力pi一般在0.4～0.7MPa范圍內(nèi)。通常輪胎與道面接觸面上的壓力p略小于內(nèi)壓力pi，為0.8～0.9pi。本文取輪胎內(nèi)壓力作為輪胎接觸壓力p，即為0.7MPa。假定在接觸面上壓力均勻分布，并以單輪作為設(shè)計標準，綜合考慮直升機荷載作用大小、填土變形深度以及平面幾何尺寸，各級應(yīng)急起降平臺的相關(guān)參數(shù)［5］設(shè)計如表1。

表1 應(yīng)急起降平臺設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the emergency landing platform

針對C級直升機應(yīng)急起降平臺的加筋層進行計算。為有更好的安全保障，取每個主起落架承重50%，尾輪承重20%，即整體富余承重20%，故C級直升機作用在輪胎上的最大荷載值P=80 kN，根據(jù)直升機三點式輪胎布局，假設(shè)其3個輪胎正好處于一個邊長為5m的正三角形的3個角上，將輪胎荷載簡化成圓形均布荷載，當量圓的直徑D可以按下式確定:

式中:P為作用在輪胎上的荷載(kN);p為輪胎接觸壓力(kPa);D為接觸面當量圓直徑(m)。

代入數(shù)據(jù)可得C級直升機輪胎接觸面當量圓直徑D=0.381m，即輪胎對地作用當量圓直徑為0.381m，在數(shù)值模型中將直升機荷載簡化為作用在一塊0.4m×0.4m的剛性混凝土塊上的面荷載。

4 數(shù)值分析

圖1 加筋起降平臺與軟土地基模型Fig.1 Model of the geosynthetic reinforced platform and soft soil foundation

圖2 4層加筋臨時起降平臺1/4三維數(shù)值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model for a quarter of the landing platform reinforced with four layers of geosynthetics

表2 軟土地基與起降平臺填土參數(shù)Table 2 Parameters of soft soil foundation and landing platform

首先以彈性模量為10MPa的軟土地基為標準，模擬軟土地基在1～5層加筋情況下最大沉降、土工布受力、起降平臺填土最大應(yīng)力以及冗余應(yīng)力的變化情況。選取的一般軟土地基及起降平臺回填土參數(shù)如表2。

采用z－soil三維數(shù)值模擬軟件，所采用的加筋土基模型如圖1所示。考慮直升機主起落架的對稱性，根據(jù)直升機臨時起降平臺的加筋土基礎(chǔ)模型建立其1/4數(shù)值模型如圖2，有紡?fù)凉げ疾捎贸绦騼?nèi)置的membrane單元進行模擬，彈性模量為土工布5%軸向應(yīng)變的單位寬度拉伸力與軸向應(yīng)變的比值，本文取為620 kN/m，起降平臺頂部為4m×4m，底部為6m×6m，每層土工布之間填土厚度為0.3 m，由于荷載作用面積較小，地基土尺寸取為12m×12m×10m。模型未考慮地下水作用，采用全約束，通過施加荷載并計算，得到加筋層數(shù)為1，2，3，4，5層時在直升機荷載作用下的地基最大沉降值、土工布受力、起降平臺填土最大應(yīng)力以及冗余應(yīng)力如表3。

表3 加筋土起降平臺在直升機荷載作用下的各指標值Table 3 Indexes of reinforced platform under helicopter load

軟基臨時起降平臺失穩(wěn)的表現(xiàn)為機輪處平臺沉陷量過大，直升機無法正常起降，由表3綜合地基最大沉降值、土工布受力、起降平臺填土最大應(yīng)力以及冗余應(yīng)力等4項指標，可得當臨時起降平臺加4層土工布時，加筋效果最好。這主要是由于加筋層數(shù)較少時，在荷載作用下土工布受力發(fā)揮張力膜作用，并將大部分荷載傳遞至軟土地基，由于地基土承載能力較小而導(dǎo)致加筋效果不好;加筋層數(shù)為5層時，每層加筋間的回填土自重較大，從而增加了軟土地基的受力，導(dǎo)致加筋效果下降，故在軟土地基上修建直升機臨時起降平臺，優(yōu)先選擇4層加筋的方案。

為研究在不同類型的軟土地基上直升機臨時起降平臺的適用性，對10種軟土地基上4層加筋起降平臺的沉降進行建模分析。地基采用摩爾－庫倫模型，根據(jù)文獻［6－7］分別選取軟土地基參數(shù)如表4。

表4 地基土物理力學(xué)指標Table 4 Physical and mechanics indexes of foundation soil

地基土的彈性模量是影響起降平臺穩(wěn)定性的主要參數(shù)，數(shù)值模擬的計算結(jié)果即4層加筋直升機起降平臺在不同軟土地基上各指標值變化情況如圖3所示。

圖3 4層加筋直升機起降平臺在不同軟土地基上各指標值變化情況Fig.3 Variations of maximum settlement，maximum effective stress and maximum internal force of the landing platform with four layers of reinforcement in the presence of different elastic moduli of foundation soil

由于彈性模量為0.95MPa和0.5MPa的淤泥質(zhì)黏土彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角均較小，在荷載作用下土體屈服并產(chǎn)生較大的塑性流動，最大沉降達3.54m，無法滿足停機要求。因此，圖3中僅顯示其余8種地基土材料以及彈性模量為10MPa的標準軟土地基材料所對應(yīng)的指標值。在表4的其他地基土體材料上修建的臨時起降平臺，采用有紡?fù)凉げ技咏詈?，因鋪設(shè)土工加筋墊層，可以保持基底完整連續(xù)，約束淺層地基軟土的側(cè)向變形，改善軟基淺層的位移場和應(yīng)力場，均化應(yīng)力分布，從而提高地基承載力和穩(wěn)定性，調(diào)整了不均勻沉降［8］，土體未發(fā)生破壞。對于彈性模量為1.5MPa的淤泥質(zhì)黏土其最大沉降量為0.15m，可以滿足停機要求。由圖3(a)和3(b)得知，隨著地基土彈性模量的增加，平臺荷載作用處最大沉降值以及平臺填土最大有效應(yīng)力均呈降低趨勢，因此平臺的穩(wěn)定性增加。在圖3(b)中彈性模量為2.4MPa的回填土最大有效應(yīng)力出現(xiàn)明顯的偏離，其原因有可能是軟件建模過程中的人為錯誤，但未得到證實，將在下一步的工作中進行細致研究。由圖3(c)可看出，土工布受力隨地基土彈性模量的增加而減小，這是由于隨著地基土的彈性模量的增加，尤其是大于10MPa后，地基土的黏聚力和內(nèi)摩擦角相對較大，地基土變形較小，在小變形下有紡?fù)凉た椢锏膹埩δば?yīng)并未充分發(fā)揮。這就降低了土工布的加筋效應(yīng)，因此，當?shù)鼗帘旧矸€(wěn)定性較好時(彈性模量大于10MPa)，可選擇強度偏小的土工布以節(jié)約成本。

5 結(jié)論

本文通過對軟土地基上土工加筋直升機臨時起降平臺分別建立了加1層土工布至加5層土工布的5種情況進行三維數(shù)值模擬，并針對4層加筋起降平臺在10種軟土地基材料上的適用性進行研究，得出以下主要結(jié)論:

(1)臨時起降平臺加4層土工布時，其地基最大沉降值、土工布受力、起降平臺填土最大應(yīng)力以及冗余應(yīng)力均最小，在修建起降平臺時考慮時間效率、經(jīng)濟性及安全性應(yīng)優(yōu)先選擇四層加筋的類型。

(2)當軟土地基彈性模量較小時，土工加筋起降平臺在荷載作用下沉降量過大，無法滿足起降要求，沉降量隨地基彈性模量的增加呈指數(shù)遞減關(guān)系。地基土彈性模量大于1.5MPa時，可采用土工加筋平臺以滿足直升機的臨時起降。

［1］劉玉卓.公路工程軟基處理［M］.北京:人民交通出版社，2002:22.(LIU Yu-zhuo.Treatment of Highway with Soft Foundation Treatment［M］.Beijing:China Communications Press，2002:22.(in Chinese))

［2］王 釗，王協(xié)群.土工合成材料加筋地基的設(shè)計［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(6):731－733.(WANG Zhao，WANG Xie-qun.Design of Foundation Reinforced with Geosynthetics［J］.Chinese journal of Geotechnical Engineering，2000，22(6):731－733.(in Chinese))

［3］羅伯特·霍隆杰夫.機場規(guī)劃與設(shè)計［M］.吳問濤譯，上海:同濟大學(xué)出版社，1987:45.(JEFF R H.Airport Planning and Designing［M］.Translated by WU Wen-tao.Shanghai:Tongji University Press，1987:45.(in Chinese))

［4］林 華.民營直升機，難園藍天夢［J］.企業(yè)導(dǎo)報，2004，(1):47－48.(LIN Hua.Hard Road of Private Helicopter to the Blue Sky ［J］.Guide to Business，2004，(1):47－48.(in Chinese))

［5］徐 倩，樊 軍，戴秋萍.土工加筋直升機應(yīng)急起降平臺設(shè)計［J］.水利水電科技進展，2012，32:51－52.(XU Qian，F(xiàn)AN Jun，DAI Qiu-ping.Geosynthetic Reinforcement Helicopter Emergency Landing Platform Design［J］.Advance in Science and Technology of Water Resource，2012，32:51－52.(in Chinese))

［6］HUANGJ，HAN J.3D Coupled Mechanical and Hydraulic Modeling of a Geosynthetic-reinforced Deep Mixed Column-supported Embankment［J］.Geotextile and Geomenbrane，2009，27(4):272－280.

［7］陳建峰，秦 浩.柔性墻面加筋土擋墻地基和墻面變形相關(guān)性分析［J］.力學(xué)季刊，2010，31(3):425－429.(CHEN Jian-feng，QIN Hao.Analysis of Deformation Relevance between Foundation and Flexible Facing for Geosynthetic-reinforced Soil Retaining Walls on Soft Clay［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2010，31(3):425－429.(in Chinese))

［8］劉春紅，肖朝昀，王建華，等.土工織物加固軟土路堤的有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2004，(25):325－328.(LIU Chun-hong，XIAO Zhao-yun，WANG Jian-hua，etal.Finite Element Analysis of Road Embankment on Soft Soil Reinforced with Geotextiles［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，(25):325－328.(in Chinese))