秸稈繩加筋軟土地基效果數(shù)值模擬研究

高聞川,吉 鋒,姚 達(dá),徐桂中,房 晨

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；4.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì),我國秸稈資源約占全球秸稈資源總量的五分之一[1]。目前秸稈資源化利用存在總量大、存儲(chǔ)困難、產(chǎn)品附加值低、商業(yè)化應(yīng)用不足等難題[2-4]?，F(xiàn)階段已經(jīng)有許多學(xué)者致力于探索秸稈資源的處理與利用方式[5-6]。同時(shí)，為了防止河流堵塞、防洪排澇，我國政府每年都需要對河流進(jìn)行清淤處理，產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。處理疏浚淤泥的傳統(tǒng)方法是用清淤設(shè)備將淤泥清除，再通過管道輸送到排泥場[7]。排泥場內(nèi)的吹填淤泥屬于欠固結(jié)沉積軟土，具有含水量高、抗剪強(qiáng)度低、承載力低等特點(diǎn)[8]。這些特點(diǎn)導(dǎo)致吹填工程需要長時(shí)間占用土地，工程成本巨大。必須對吹填淤泥進(jìn)行加固處理，才能縮短工期、提高經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。

工程中常使用塑料排水板堆載預(yù)壓法處理軟弱土層。劉潤等[11]采用平衡法和有限元法分析了塑料排水板不取出對地基穩(wěn)定性的影響，總結(jié)出塑料排水板的存在對地基承載力具有一定的提升作用。Xu等[12]將秸稈編織成排水板，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)秸稈排水板具有良好的透水性，適合替代塑料排水板。

基于上述研究可知，掌握秸稈排水體不取出對軟土地基變形和承載力的影響規(guī)律對于淤泥堆場的合理利用具有重要意義。本文將通過數(shù)值模擬探究軟土地基豎向打設(shè)秸稈繩對地基變形和承載力的影響。

1 幾何模型的建立

1.1 模型的基本假定

為了符合實(shí)際情況并簡化計(jì)算模型，有限元建模采用下列假定：

(1)軟土地基土體為理想彈塑性體，均勻連續(xù)，采用庫倫-摩爾屈服準(zhǔn)則；

(2)忽略軟土地基土體以及秸稈繩材料屬性在上部荷載施加過程中的變化；

(3)在地基承載力失效前秸稈繩與土之間沒有發(fā)生相對滑移與分離。

1.2 模型參數(shù)與尺寸的選定

本文應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS分析軟土地基中打設(shè)有秸稈繩時(shí)地基達(dá)到極限平衡時(shí)的破壞模式。在分析中，地基土體采用摩爾-庫倫模型，視為均勻連續(xù)的彈塑性體。該土體模型涉及的計(jì)算參數(shù)有彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角。

長三角地區(qū)河流密集，上游大量泥沙被沖刷堆積在下游，最需要進(jìn)行河流清淤。因此，土體計(jì)算參數(shù)取長三角地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)的平均值，數(shù)據(jù)參考工程地質(zhì)手冊[13]。計(jì)算參數(shù)及取值見表1。秸稈繩視為理想彈性體，根據(jù)拉伸曲線得到彈性模量。

表1 土體及秸稈繩的計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of soil and straw rope

采用二維數(shù)值模型模擬秸稈繩處理軟基的加筋效果。建立二維變形體，需要考慮秸稈繩加筋處理對軟土地基的影響范圍。根據(jù)表1數(shù)據(jù)在有限元軟件中建立二維模型如圖1所示。整個(gè)軟土土體模型寬7.5 m、高7.5 m，上部荷載作用面寬度為2 m，秸稈繩加筋深度為4 m，加筋間距為0.5 m，秸稈繩直徑為0.01 m，后續(xù)運(yùn)算中上部荷載的主要影響在尺寸范圍之內(nèi)。

圖1 軟土地基的二維模型Fig.1 The two-dimensional model of soft soil foundation

1.3 邊界約束與網(wǎng)格劃分

為了通過模擬計(jì)算出地基的極限承載力，需要通過模擬獲得地基的荷載沉降曲線。數(shù)值模擬中有兩種方式可以獲得荷載沉降曲線：給定荷載求解位移，或者給定位移求解荷載。通過荷載求解位移時(shí)，達(dá)到極限條件剛度減小甚至趨于0會(huì)帶來不收斂的問題，故本文選擇采用通過位移求解荷載的方式。

根據(jù)實(shí)際情況，在初始分析中限制模型左右側(cè)在水平方向上的位移與模型底部在水平方向上和豎直方向上的位移。由于軟土地基長度與寬度差值較大，在長度方向上，有秸稈繩打設(shè)的地基無論是材料屬性還是上部荷載都沒有變化，所以按照平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析處理。網(wǎng)格單元控制屬性選取四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元(CPE4)，劃分網(wǎng)格采用四邊形的自由劃分，算法為中性軸算法?？紤]到地基承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性，將荷載作用面下的網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格單元和劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 二維模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh subdivision of two-dimensional model

1.4 工況模擬對照

本文設(shè)計(jì)了兩種工況進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果進(jìn)行對照分析。兩種工況分別為：(1)不含秸稈繩加筋作用；(2)考慮秸稈繩的加筋作用。

秸稈繩由秸稈繩加工機(jī)制成，常見直徑尺寸為0.01～0.03 m，本文采用0.01 m直徑秸稈繩。排水板間距越小加筋效果越明顯，為使模擬效果顯著，本文采用0.5 m打設(shè)間距。因此，秸稈繩加筋工況的布筋形式為：秸稈繩直徑0.01 m，打設(shè)間距0.5 m，打設(shè)深度4 m。

工程車輛等上部荷載底部可視為剛性，作用于軟土地基上。

2 秸稈繩對地基承載力的影響

秸稈繩加筋前后地基的荷載沉降曲線如圖3所示，沉降與荷載的關(guān)系開始呈線性變化，在瀕臨破壞時(shí)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，最后急劇下沉。

不含秸稈繩加筋作用時(shí)，地基的極限荷載為46.73 kPa，對應(yīng)最大變形為0.4 m；考慮秸稈繩的加筋作用后，極限荷載為63.63 kPa，對應(yīng)最大變形為0.8 m。對于本文土質(zhì)情況與加筋方式，地基承載力提升了36%。可見秸稈繩加筋可以有效地提高軟土地基的承載能力。

與不含秸稈繩加筋作用的軟土地基相比，秸稈繩加筋后的軟土地基在相同荷載作用下所產(chǎn)生的沉降減小，可見秸稈繩加筋能有效減小軟土地基在上部荷載作用下產(chǎn)生的沉降變形。

由圖3可知，拐點(diǎn)前，秸稈繩加筋前后地基的荷載沉降曲線均分為線性變形階段與非線性變形階段。線性變形階段的特點(diǎn)為土體中各個(gè)點(diǎn)均處于彈性變形階段，地基中的應(yīng)力分布可以用彈性理論求解；非線性變形階段的特點(diǎn)為基礎(chǔ)邊緣土體擠出，開始發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生塑性變形。

在地基承載力失效后，不含秸稈繩加筋作用的軟土地基急劇變形，而秸稈繩加筋后的軟土地基變形較為緩慢。軟土地基中沒有秸稈繩加筋時(shí)，土體滑裂面的抗力僅由地基土的黏聚力來承擔(dān)；而當(dāng)軟土地基中存在秸稈繩加筋時(shí)，土體滑裂面的抗力由地基土的黏聚力和秸稈繩的阻力共同組成。因此在地基承載力失效后，秸稈繩加筋后的軟土地基變形速度與未加筋的軟土地基變形速度相比較為緩慢。

3 秸稈繩對地基變形的影響

數(shù)值模擬中，地基滑動(dòng)破壞面有兩種確定方式：(1)根據(jù)位移場分布確定;(2)根據(jù)增量塑性應(yīng)變分布確定。在部分情況下，滑動(dòng)體與穩(wěn)定區(qū)域的位移場界限較難分辨，因此，本文通過同時(shí)繪制位移云圖與增量塑性應(yīng)變云圖來分析確認(rèn)滑動(dòng)破壞面。

3.1 通過位移云圖與增量塑性應(yīng)變云圖分析地基變形

圖4a、圖4b分別為秸稈繩加筋前后的地基荷載沉降曲線拐點(diǎn)處的位移云圖。由圖4可知，在上部荷載作用下軟土地基承載力失效時(shí)，接近基礎(chǔ)底部的土體位移最大。在豎直方向和水平方向上，有秸稈繩加筋的軟土地基位移均比不含秸稈繩加筋的軟土地基位移更小，可見秸稈繩加筋可以有效減小軟土地基承載力失效時(shí)在豎直方向與水平方向上產(chǎn)生的地基位移。

a 秸稈繩加筋前

b 秸稈繩加筋后圖4 地基荷載沉降曲線拐點(diǎn)處的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram at the inflection point of load settlement curve of foundation

由于軟土地基在地基承載力失效時(shí)產(chǎn)生的位移較大，滑動(dòng)體與穩(wěn)定土體不易明顯區(qū)分，導(dǎo)致難以觀察出滑動(dòng)破壞面的位置，因此需通過對比秸稈繩加筋前后地基荷載沉降曲線拐點(diǎn)處的增量塑性應(yīng)變云圖(如圖5所示)判斷破壞面位置。

a 秸稈繩加筋前

b 秸稈繩加筋后圖5 地基荷載沉降曲線拐點(diǎn)處的增量塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Incremental plastic strain nephogram at the inflection point of load settlement curve of foundation

由圖5a可見，不含秸稈繩加筋作用時(shí)，增量塑性應(yīng)變云圖中可以明顯觀察到地基破壞后的塑性區(qū)域?；A(chǔ)底部與地基接觸面下方倒三角區(qū)域增量塑性變形很小，基礎(chǔ)底面以下向兩側(cè)隆起的土體增量塑性應(yīng)變最大，與實(shí)際工程中整體剪切破壞基礎(chǔ)周圍地面隆起相符。

由圖5b可見，考慮秸稈繩加筋作用時(shí)，隨著荷載增大，增量塑性應(yīng)變云圖中剪切破壞區(qū)從基礎(chǔ)邊緣開始，最后停止在內(nèi)部，滑動(dòng)面沒有延伸至地表。符合局部剪切破壞特征，可以確定為局部剪切破壞。

3.2 秸稈繩加筋對地基變形影響分析

對比秸稈繩加筋前后的位移云圖和增量塑性應(yīng)變云圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)，打設(shè)秸稈繩改變了地基破壞模式，加筋前為整體剪切破壞，而加筋后為局部剪切破壞。秸稈繩加筋前，軟土地基承載力失效時(shí)會(huì)在地基中形成連續(xù)的滑動(dòng)面并延伸至地表，導(dǎo)致基礎(chǔ)急劇下沉并向一側(cè)傾倒，基礎(chǔ)表面兩側(cè)大幅隆起。秸稈繩加筋后，軟土地基承載力失效時(shí)也會(huì)在地基中形成連續(xù)的滑動(dòng)面，但滑動(dòng)面不會(huì)延伸至地表，在一定程度上減輕了軟土地基破壞后的變形程度，使軟土地基在后續(xù)的使用中更為安全。

綜上所述，秸稈繩加筋不僅可以提升軟土地基的地基承載力，減小軟土地基在上部荷載作用下產(chǎn)生的沉降變形，也能減緩地基承載力失效后基礎(chǔ)急劇下沉，從而提高工程的安全性。

4 結(jié)語

本文通過有限元分析軟件ABAQUS分析了秸稈繩加筋軟土地基的效果。綜合本文的模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)秸稈繩加筋后地基破壞模式發(fā)生了改變，加筋前軟土地基為整體剪切破壞，加筋后軟土地基為局部剪切破壞；

(2)秸稈繩加筋可以有效地提升軟土地基的承載力，并減小軟土地基在相同荷載作用下產(chǎn)生的沉降變形，減緩地基承載力失效后基礎(chǔ)的急劇下沉；

(3)秸稈繩加筋對軟土地基具有積極的意義，能夠有效地強(qiáng)化軟土地基并提高其安全性。