土工格柵加筋邊坡穩(wěn)定分析

周燕鋒,陳德立,陳致富

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州　350025)

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土工格柵加筋邊坡穩(wěn)定分析

周燕鋒,陳德立,陳致富

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州350025)

摘要：從土工格柵加固土體的機(jī)理入手，采用加拿大著名巖土工程軟件Geostuido進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論了土工格柵的長(zhǎng)度、剛度、豎向間距、鋪設(shè)方式等參數(shù)對(duì)加筋邊坡的穩(wěn)定性和永久變形等的影響，得到土工格柵在加筋邊坡中的一些重要影響因素以及對(duì)應(yīng)的敏感性，從而為加筋邊坡的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元法；土工格柵；邊坡穩(wěn)定；Geostuido；加筋土

土體具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度卻很低,在土體中摻入或鋪設(shè)一定的拉筋材料后，可以大大改善土體的強(qiáng)度和變形特征，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，使土體的整體強(qiáng)度得以提高。目前，這種加筋土技術(shù)已廣泛應(yīng)用于邊坡、路基、擋土墻、橋臺(tái)、堤壩等工程[1-3]。

土工格柵是一種新型的加筋材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、易搬運(yùn)、抗腐蝕、低延伸率、耐久性好和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)，具有防滲、過(guò)濾、排水、防護(hù)、隔離、加筋和加固等多種功能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)巖土工程，特別是在邊坡加固工程中應(yīng)用較多[5]。由于加筋結(jié)構(gòu)的計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，涉及筋材、填料土以及筋土相互作用等因素[6]，使得加筋工程的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其實(shí)際應(yīng)用。本文使用加拿大巖土工程軟件Geostuido來(lái)分析土工格柵加筋邊坡穩(wěn)定性，分別討論了土工格柵的長(zhǎng)度、剛度、豎向間距、鋪設(shè)方式等對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和永久變形的影響。

1有限元模型的建立

先用SIGMA/W計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)，然后基于這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)用SLOPE/W對(duì)邊坡的筋帶長(zhǎng)度、剛度、堅(jiān)向間距鋪設(shè)方式4個(gè)方面進(jìn)行有限元效果分析。

以高H=10 m，坡角β=45°的簡(jiǎn)單的均質(zhì)邊坡為算例，其有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

邊坡土體的本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，界面單元本構(gòu)用加拿大巖土工程軟件Geostuido自帶的Slip Surface模型(包含界面摩擦角φ、界面黏聚力с、剪切模量G、重度γ、泊松比υ5個(gè)參數(shù))，土工格柵用只能抗拉、不具有抗壓與抗彎能力的一維梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，并設(shè)定其只受拉應(yīng)力，不承受壓應(yīng)力，同時(shí)在梁?jiǎn)卧舷聝蓚?cè)設(shè)置了界面單元來(lái)模擬筋土相互作用。

圖1　邊坡幾何模型及有限元網(wǎng)格Fig.1　Slope geometry model and finite element mesh

2加筋邊坡穩(wěn)定分析

采用加拿大巖土工程軟件Geostuido對(duì)加筋邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.1　不同筋帶長(zhǎng)度加筋效果分析

以4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5m9種不同筋帶長(zhǎng)度為例，分析筋帶長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性和永久變形的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2　筋帶長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)和最大水平位移的影響Fig.2　Affect on safety factor and maximum horizontal displacement of geogrid’s length

從圖2中可知，隨著格柵筋帶長(zhǎng)度的增加，坡體的穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)，并表現(xiàn)出起初變化較小，進(jìn)而變化顯著，最后趨于影響不明顯的斜“S”型影響效果；坡體的最大水平位移，則隨著格柵筋帶長(zhǎng)度的增加而減小，甚至可能存在某個(gè)區(qū)間的跳動(dòng)，如圖中7.5m，側(cè)向約束效果突然顯著加強(qiáng)。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)格柵鋪設(shè)長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)選取適中的格柵長(zhǎng)度。一味的增加長(zhǎng)度，對(duì)控制坡體的穩(wěn)定性和變形控制并沒(méi)有起到實(shí)際明顯的效果，反而造成浪費(fèi)。因?yàn)橥凉じ駯啪哂泻芨叩膭偠群蛥f(xié)調(diào)變形能力，可以很好地限制土體的側(cè)向變形，同時(shí)繃緊的筋帶也能降低土體的沉降量，從而使得坡體有較好的穩(wěn)定性。

圖3為坡頂正下方的一組豎向斷面節(jié)點(diǎn)的水平位移和豎向位移。從圖3中可知，不同筋帶長(zhǎng)度對(duì)坡體永久位移的影響：①筋帶越長(zhǎng)，坡體的水平位移和豎向位移越小，但是，只有當(dāng)筋帶達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，效果才比較明顯；②坡體的豎向位移基本呈現(xiàn)上大下小的總體趨勢(shì)不變。

圖3　筋帶長(zhǎng)度對(duì)選取豎向斷面永久位移的影響Fig.3　Affect on safety factor and maximum horizontal displacement of geogrid’s length

圖4為坡面正中間的一組水平斷面節(jié)點(diǎn)的水平位移和豎向位移。

從圖4中水平位移可知，加筋能很大程度減少坡體潛在滑動(dòng)區(qū)的水平位移，但隨著格柵筋帶長(zhǎng)度的增加，坡體的水平位移相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)有小幅度的增加，坡體的最大水平位移往坡體后方擴(kuò)散，也就是說(shuō)坡面的水平位移變得更加均勻，從而坡體的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

圖4　筋帶長(zhǎng)度對(duì)選取橫向斷面永久位移的影響Fig.4　Affect on the vertical displacement of the cross section of geogrid’s length

而從豎向位移分析可知，加筋能很大程度減少坡體潛在滑動(dòng)區(qū)的豎向位移，表現(xiàn)為:在加筋區(qū)，筋長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)坡體的沉降約束越大，坡體豎向位移越小;加筋區(qū)的后面，效果則相反，筋長(zhǎng)越長(zhǎng)，豎向位移越大，并與遠(yuǎn)端豎向位移基本一致，但是總體趨勢(shì)在減小。另外，加筋之后，坡體的豎向位移即沉降比較均勻。

圖5給出了未加筋及格柵長(zhǎng)度分別為5m、7m的最危險(xiǎn)滑裂面位置。從中可以看出，格柵長(zhǎng)度對(duì)最危險(xiǎn)滑裂面的影響不大，只是滑出點(diǎn)略有不同。筋長(zhǎng)越長(zhǎng)，最危險(xiǎn)滑裂面越靠坡面后方，表現(xiàn)出越深層的滑動(dòng)，體現(xiàn)了土工格柵對(duì)坡體加筋效果。

圖5　筋帶長(zhǎng)度對(duì)最危險(xiǎn)滑裂面的影響Fig.5　Affect on the most dangerous slip surface of geogrid’s length

2.2　不同筋帶參數(shù)加筋效果分析

以0.3GPa、1.5GPa、3GPa、15GPa、30GPa等5種不同彈性模量的土工格柵為例，分析其對(duì)坡肩正下方選取的豎向斷面節(jié)點(diǎn)水平和豎向永久變形的影響。

從圖6可知，當(dāng)格柵模量小于1.5GPa時(shí)，格柵模量越大，水平位移和豎向位移越小，說(shuō)明加筋能減少坡體變形；但當(dāng)格柵模量超過(guò)1.5GPa時(shí)，其對(duì)水平位移和豎向位移的影響并不明顯。究其

圖6　不同筋帶彈性模量對(duì)永久變形的影響Fig.6　Potential slip surface by strength reduction FEM

原因，因?yàn)閺椥阅Ａ矿w現(xiàn)了土工格柵抵抗變形的能力，只有當(dāng)它達(dá)到一定值時(shí)，才能對(duì)沉降起到有效的控制作用，而當(dāng)彈性模量超過(guò)一定值后，筋材與坡土的接觸面將可能在變形控制中起主導(dǎo)作用。也就是說(shuō)，筋材的作用效果受制于筋材與坡土的接觸面情況，在筋材與坡土接觸面強(qiáng)度不能提高的情況下，無(wú)限度地增大筋材模量是沒(méi)有意義的。因此，在實(shí)際工程中，究竟選取多大彈性模量的筋材，要根據(jù)工程的實(shí)際情況具體問(wèn)題具體分析，從工程安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。

2.3　不同筋帶豎向間距加筋效果分析

以0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、4m、5m等8種不同豎向間距格柵加筋為例，分析不同筋帶豎向間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)和永久變形的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7　格柵間距對(duì)安全系數(shù)和最大水平位移的滑動(dòng)面Fig.7　Affect on safety factor and maximum horizontal displacement of geogrid’s spacing

從圖7可知，隨著格柵筋帶豎向間距的加大，筋帶層數(shù)減少，單位面積下格柵密度減小，坡體的穩(wěn)定性不斷減小，最大水平位移不斷增加。同時(shí)當(dāng)格柵間距較大時(shí)，格柵鋪設(shè)的層數(shù)較少、鋪設(shè)位置變化較大，對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響也較大。

圖8為不同格柵間距對(duì)豎向斷面節(jié)點(diǎn)永久位移的影響。由圖中可知：①坡體的水平位移、豎向位移都隨土工格柵間距縮短而變小；②通過(guò)筋土的相互作用，筋層間距越小，筋帶鋪設(shè)的層數(shù)越多，筋帶密度越大，筋層土工格柵所承擔(dān)的荷載就越多，從而對(duì)土體的約束作用就越顯著，坡體的永久變形就越小，其穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)；③隨著加筋層豎向間距的增大，坡面上鋪設(shè)的格柵層數(shù)減少，格柵鋪設(shè)位置可動(dòng)性變大，使得觀(guān)測(cè)截面的水平位移波動(dòng)較大，而豎向位移幾乎沒(méi)有影響。

圖8　不同格柵間距對(duì)斷面永久位移的影響Fig.8　Affect on different geogrid spacing for sectional permanent displacement

2.4　不同筋帶鋪設(shè)方式加筋效果分析

通過(guò)設(shè)置一層土工格柵在坡體的不同高度，分析其鋪設(shè)位置對(duì)坡體加筋作用的不同影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，從上往下，土工格柵對(duì)坡體的加筋作用不斷增強(qiáng)，說(shuō)明下層格柵比上層格柵加筋

表2一層格柵的不同鋪設(shè)位置對(duì)安全系數(shù)的影響

Table 2　A layer geogrid of different laying position

效果好，對(duì)坡體抗滑作用較大；但是，在靠近坡趾的某個(gè)高度將出現(xiàn)突變，如方案5中，距坡腳0.5m處反而出現(xiàn)了坡體不穩(wěn)定的現(xiàn)象。所以在加筋邊坡設(shè)計(jì)的時(shí)候，加筋層應(yīng)該多鋪設(shè)在坡體下部，但又不能太靠近坡腳。

通過(guò)設(shè)置兩層等長(zhǎng)的土工格柵坡體在4個(gè)不同的位置鋪設(shè)，分析其對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3兩層等長(zhǎng)格柵的不同鋪設(shè)位置對(duì)安全系數(shù)的影響

Table 3　Two layers geogrid of different laying position

由表3可知，方案3、5、6比方案1、2、4加筋效果較好，說(shuō)明格柵鋪設(shè)在坡體中下部加筋效果較顯著。

再考慮多層土工格柵不同長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方案對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，以求得最優(yōu)化的多層鋪設(shè)方案。表4共設(shè)置了5種方案，格柵總長(zhǎng)度保持不變。

從表4求得的安全系數(shù)可知，方案2即格柵上短下長(zhǎng)鋪設(shè)對(duì)坡體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大；相反，方案3的上長(zhǎng)下短的鋪設(shè)方案是最不利的，因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)避免。

表4多層格柵的不同鋪設(shè)方式對(duì)安全系數(shù)的影響

Table 4　Multilayer geogrid of different laying way

3結(jié)論

(1) 在土體中鋪設(shè)土工格柵，以其作為抗拉的加筋材料，與土體產(chǎn)生相互摩擦，增大筋材與土體的摩阻力，使土工格柵上下兩側(cè)的土顆粒受到約束，能夠限制土體的側(cè)向變形，有利于提高坡體的整體穩(wěn)定性，減少土體的不均勻變形。

(2) 土工格柵鋪設(shè)長(zhǎng)度、間距以及筋材模量對(duì)邊坡加筋效果影響顯著。在一定范圍內(nèi)，土工格柵鋪設(shè)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，間距越小，筋材模量越大，邊坡加筋效果越好，坡體變形減小、穩(wěn)定性越高；但當(dāng)超過(guò)一定值時(shí)，這種加筋效果將變得不那么明顯。因此，在實(shí)際工程中，要根據(jù)實(shí)際情況控制格柵的模量，以取得較好的安全度和經(jīng)濟(jì)性，而不能一味地增加格柵長(zhǎng)度、層數(shù)和強(qiáng)度。否則既不經(jīng)濟(jì)實(shí)用，效果也可能不太理想。

(3)土工格柵在坡體下部加筋效果比上部好。在加筋邊坡設(shè)計(jì)時(shí)土工格柵應(yīng)適當(dāng)布置在坡體中下部，并采用下部長(zhǎng)上部短的鋪設(shè)方式，從而得到最佳鋪設(shè)效果。

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(責(zé)任編輯：孫新華)

TheStabilityAnalysisortheGeogrid-reinforcedSlope

ZHOUYanfeng,CHENDeli,CHENZhifu

(FujianAcademyofBuildingResearch,FuzhouFujian350025,China)

Abstract：Based on the mechanism of geogrid reinforced soil and combined with the famous Canadian geotechnical engineering software Geostuido, to do some numerical simulation analysis is carried out. Considering the impact of the geogrid's length, vertical spacing, arrangement manner, stiffness and other parameters of geogrid for reinforced slope’s stability and permanent deformation, and eventually get some of the important factors for geogrid reinforced slope and the corresponding sensitivity are gotten to provide a reference for the design of reinforced slope.

Keywords：finite element method; geogrid; slope stability; Geostudio; reinforced soil

作者簡(jiǎn)介：周燕鋒(1986-)，男，助理工程師，碩士生，主要研究方向?yàn)榛?、邊坡等巖土工程的咨詢(xún)與設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-03-23

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-5322(2015)02-0069-06

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502013