碼頭護(hù)岸邊坡填筑體加筋參數(shù)優(yōu)化研究

摘要：隨著碼頭護(hù)岸邊坡的發(fā)展，填筑體加筋參數(shù)優(yōu)化研究對(duì)提升邊坡穩(wěn)定性變得越來(lái)越重要。通過(guò)對(duì)邊坡填筑體加筋的室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析，探討了加筋參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了加筋參數(shù)綜合優(yōu)化組合。研究結(jié)果表明：加筋對(duì)土體位移有約束作用，埋置深度對(duì)土體位移影響最大，過(guò)大的豎向土壓力會(huì)造成土工格柵的側(cè)向變形大，甚至破壞。土工格柵埋置比固定后，土體下沉量和加固深度趨于穩(wěn)定，為防止格柵位移過(guò)大導(dǎo)致破壞，應(yīng)選擇較小間距。對(duì)加筋參數(shù)的優(yōu)化，可以有效地提高碼頭護(hù)岸邊坡的穩(wěn)定性，減少工程風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：碼頭護(hù)岸邊坡工程填筑體參數(shù)優(yōu)化室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U442.55

StudyonReinforcementParameterOptimizationofWharfRevetmentSlopeFillingBody

SHENGQiao

CRCCHarbourand?;ChannelEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430000China

Abstract：Withthedevelopmentofwharfrevetmentslope，studyontheoptimizationofreinforcementparametersoffillingbodyismoreandmoreimportanttoimprovethestabilityofslope.Throughtheindoormodeltestandnumericalanalysisofthereinforcementoftheslopefillingbody，theinfluenceofthereinforcementparametersontheslopestabilityisdiscussed，andthecomprehensiveoptimizationcombinationofthereinforcementparametersisobtained.Theresultsshowthatthereinforcementhasarestrainingeffectonthedisplacementofthesoil，andtheburialdepthhasthegreatestinfluenceonthedisplacementofsoil.Excessiveverticalearthpressurewillcauselargelateraldeformationofthegeogrid，orevendamage.Aftertheburialratioofgeogridisfixed，thesoilsubsidenceandreinforcementdepthtendtobestable.Inordertopreventthedamagecausedbytheexcessivedisplacementofgeogrid，asmallerspacingshouldbeselected.Theoptimizationofthereinforcementparameterscaneffectivelyimprovethestabilityofthewharfrevetmentslopeandreducetheengineeringrisk.

KeyWords：Wharfrevetment;Slopeengineering;Fillingbody;Parameteroptimization;Indoortest;Numericalsimulation

針對(duì)填方邊坡加筋土的參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)，研究人員從邊坡穩(wěn)定性、筋土界面特性以及加筋后邊坡整體的抗震特性方面進(jìn)行了研究。張瑋鵬等人[1]、胡衛(wèi)東等人[2]建立填方加筋土坡合理的臨界高度計(jì)算方法。徐超等人[3]、廖鴻等人[4]認(rèn)為土工合成材料加筋土有較好的抗震性能。賈卓龍等人[5]揭示了不同壓實(shí)條件下加筋土體的垂直入滲規(guī)律。何紅忠等人[6]利用有限元軟件評(píng)估了土工格柵加筋處置該路塹邊坡的合理性。蔡曉光等人[7]對(duì)于加筋高邊坡設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，認(rèn)為最大安全影響因素是降水。何必伍等人[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了挖方碎石土混合料作為填方加筋邊坡的回填料的工作性能，表明碎石土混合料土石質(zhì)量比不大于3∶7填筑時(shí)可滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，多數(shù)情況下將加筋與動(dòng)力（例強(qiáng)夯法）加固作為單獨(dú)加固技術(shù)進(jìn)行考慮，這與真實(shí)的工程現(xiàn)狀是不符。以武穴港某碼頭填方邊坡工程加筋填筑體為研究背景，采用控制變量法設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)?？紤]加筋體的性質(zhì)，采用有限差分軟件對(duì)土工格柵埋置深度、間距和數(shù)量不同組合下，加筋填筑體的加固效果與受力變形特性進(jìn)行研究。通過(guò)極差和方差分析，得出填方體加筋優(yōu)化參數(shù)。

1填筑體加筋模型建立

1.1模型試驗(yàn)制備及參數(shù)設(shè)置

試樣原材料來(lái)源于武穴港某碼頭填方邊坡工程，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）制作試樣。采用擊實(shí)試驗(yàn)確定土樣最大干密度為1.74g·cm3，最優(yōu)含水率為11.50%。對(duì)最優(yōu)含水率下的土試樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算得出土試樣物理力學(xué)特性，如表1所示?；谙嗨圃碓O(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用強(qiáng)夯法對(duì)填方填筑土體進(jìn)行加固施工，其中夯錘重200kN，落錘間距為10m，夯擊能達(dá)2000kN·m。在模型試驗(yàn)中采用的夯錘重25N，落錘間距為1m，夯擊能達(dá)25N·m。因此，夯錘與落錘間距相似比為1∶8000與1∶10.因此可知模型與原型應(yīng)力與位移相似比為1∶80和1∶10。

1.2模型設(shè)備安裝與數(shù)據(jù)采集

模型試驗(yàn)設(shè)備主要由動(dòng)力裝置、試驗(yàn)箱、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。將模型箱前表面劃分為4cm×3cm網(wǎng)格，用以監(jiān)測(cè)試樣土的變形。由于設(shè)計(jì)對(duì)于土體變形、應(yīng)力、加固有效范圍、土工格柵變形量及應(yīng)變值的監(jiān)測(cè)，因此采用微型土壓力盒對(duì)加筋加固土體進(jìn)行量測(cè)。土壓力盒分別在夯錘正下方與模型箱側(cè)面分別設(shè)置3個(gè)壓力盒（P1～P6），間距65cm。此外，為深入了解夯錘的動(dòng)能傳遞與動(dòng)能應(yīng)變的作用特性，在夯錘下部處的土工格柵縱筋處設(shè)橫向置10個(gè)應(yīng)變片，間距3cm水平排列。

1.3模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用控制變量法研究填方加筋土在強(qiáng)夯作用下的加固效果，設(shè)定加筋土中土工格柵的埋置比Ai（土工格柵的埋置深度與單次夯擊后土體下沉量比值）i為2、3、4、5；層數(shù)Ni，其中i為2、3、4、5；間距Li，其中i為20cm、40cm、60cm、80cm，設(shè)置三因素四水平代碼如表2所示。設(shè)置12組對(duì)照試驗(yàn)如表3所示。為提升試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，按照土試驗(yàn)的最佳含水率進(jìn)行配置土，同時(shí)嚴(yán)格控制每層土填筑厚度，使土體干密度在1.62g·cm-3以上。

2模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1地基土豎向位移

采用模型箱進(jìn)行試驗(yàn)后可知，所有的設(shè)計(jì)試驗(yàn)組下地表沉降差異性較小，但土體深處的差異性較為明顯。在設(shè)置埋置比、土工格柵層數(shù)、土工格間距不同的條件下，地表位移較小，其原因在于土體豎向位移受到土工格柵的約束，夯擊時(shí)能量被土工格柵吸收。圖1反映了加筋層數(shù)與間距變化，土體豎向位移變化不明顯，第一層土工格柵的埋置深度不變時(shí)，其余各層加筋間距與層數(shù)影響較小。

2.2動(dòng)土應(yīng)力

2.2.1豎向土壓力

由圖2可知，對(duì)填筑土體進(jìn)行加筋可明顯約束豎向土壓力。在土體深度220cm處，豎向土壓力在無(wú)筋與有筋條件下分別為251kPa與117kPa（A3）。通過(guò)圖2（b）中可知，加筋可有效降低豎向土壓力。但是，這種約束土壓力的效果是與深度呈負(fù)相關(guān)的，在深度300cm以下時(shí)約束效果趨于消失，這一深度的約束效果與無(wú)筋土的對(duì)照組的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。深層土由于豎向土壓力不足不易被壓實(shí)。因此，若豎向土壓力小，則深層土壓實(shí)度不高，若豎向土壓力大，則使工格柵的側(cè)向變形較大。同時(shí)，采用強(qiáng)夯法施工加固土體時(shí)，引發(fā)的卸后回彈產(chǎn)生的隆起，不利于土體的長(zhǎng)期固結(jié)與邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.2.2側(cè)向土壓力

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，側(cè)向土壓力受土工格柵的約束，約束效果與筋材埋置比成正比。由圖3（a）可知，A2條件下有筋與無(wú)筋條件下側(cè)向土壓力相同。在A3條件下，相較于無(wú)筋試驗(yàn)組，側(cè)向土壓力減小約23.5%。由圖3（b）可知，土體深度變化與側(cè)向土壓變化相似，這與豎向壓力變化類似。在320cm處的約束壓力較大，可達(dá)11.8kPa。然而，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)側(cè)向土壓力受層數(shù)N的影響并不明顯。側(cè)向土壓力在N1、N2、N3與N4條件下，其變化趨勢(shì)相似。側(cè)向土壓力受土工格柵間距影響較為明顯。當(dāng)深度于250cm時(shí)，L1、L2、L3與L4條件下側(cè)向土壓力變化趨勢(shì)均不相同，相較于無(wú)筋試驗(yàn)組側(cè)向土壓力均較小。

3加筋體參數(shù)優(yōu)化研究

3.1建立數(shù)值分析模型

基于模型試驗(yàn)，采用Flac3D有限差分軟件，選取合適的建模范圍，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。為盡量真實(shí)模擬填筑加筋土體在夯擊時(shí)的特性，模型長(zhǎng)寬高設(shè)置為1.6m×1.6m×1.0m。夯擊范圍為半徑6cm的圓。模型采用MC（摩爾庫(kù)倫）彈塑性本構(gòu)模型，模型底部設(shè)置阻尼器吸收入射波，四周設(shè)置自由場(chǎng)邊界。數(shù)值計(jì)算參數(shù)與模型試驗(yàn)參數(shù)相同，如表1所示。其中體積模量為3.75MPa剪切模量1.73MPa。土工格柵參數(shù)其彈性模量為25GPa，厚度為5mm，剪切模量2.3MPa，泊松比0.33。數(shù)值計(jì)算模型采用瑞利阻尼，主要參數(shù)為最小臨界阻尼比和中心頻率，本文取最小臨界阻尼比為5%。動(dòng)力計(jì)算參數(shù)如表4所示。

3.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果

填方地基土加固效果的影響因素主要表現(xiàn)在土體側(cè)向位移、側(cè)向土壓力、土工格柵變形量與土體的變形量5個(gè)方面。在控制變量試驗(yàn)中主要考慮了埋置比、土工格柵層數(shù)與間距這3個(gè)因素，對(duì)土工格柵本身材料性質(zhì)未進(jìn)行充分考慮。因此，在數(shù)值計(jì)算分析時(shí)，將土工格柵的彈性模量、內(nèi)摩擦角作為正交試驗(yàn)考慮的影響因素。由于土工格柵彈性模量較大，取0.2為折減系數(shù)。為優(yōu)化試驗(yàn)方案，則通過(guò)正交試驗(yàn)表進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分別為25組單獨(dú)試驗(yàn)組。各影響因素與水平安排如表5所示。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

由圖4可知，通過(guò)對(duì)正交計(jì)算結(jié)果極差與方差分析可知最佳優(yōu)化水平組合為：埋置比K5取值為6、土工格柵層數(shù)K3取值為4、土工格柵間距K3取值為6cm、彈性模量K3取值為1GPa、內(nèi)摩擦角K4取值為40°。通過(guò)對(duì)參數(shù)優(yōu)化可為加筋參數(shù)設(shè)計(jì)提供有益參考。

4結(jié)論

本文通過(guò)控制變量法與正交法設(shè)計(jì)模型和數(shù)值試驗(yàn)，針對(duì)武穴港某碼頭填方邊坡工程填筑土體加筋參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

（1）加筋對(duì)土體位移有約束作用，埋置深度對(duì)土體位移影響最大，過(guò)大的豎向土壓力會(huì)造成土工格柵的側(cè)向變形大，甚至破壞。

（2）土工格柵埋置比固定后，土體下沉量和加固深度趨于穩(wěn)定。格柵層數(shù)增加會(huì)減弱加筋效果，間距增大則應(yīng)力增大，但隨水平距離增加而減小。為防止格柵位移過(guò)大導(dǎo)致破壞，應(yīng)選擇較小間距。

（3）通過(guò)極差分析和方差分析，加筋參數(shù)綜合優(yōu)化組合為：埋置比K5取值為6、土工格柵層數(shù)K3取值為4、土工格柵間距K3取值為6cm、彈性模量K3取值為1GPa、內(nèi)摩擦角K4取值為40°。

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