加筋土條件下圍堰填砂管袋布置優(yōu)化研究

加筋土條件下圍堰填砂管袋布置優(yōu)化研究

土工布廣泛應(yīng)用于各種軟基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定工程中。土工布技術(shù)在中國起步較晚，但發(fā)展迅速。例如，在河流和湖泊的各種節(jié)水項目中修建結(jié)構(gòu)房屋時，有時需要設(shè)計圍壩。主要用于防止水流和結(jié)構(gòu)材料。作為一種建筑材料，管袋圍堤是在土袋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。利用土工管袋在軟土地基上修筑圍堤,施工期圍堤的穩(wěn)定性直接決定著堤防工程的成敗。因此,對軟土地基上的土工管袋圍堤的穩(wěn)定性進行研究是相當(dāng)重要的,而且由于土工管袋的加筋作用,在數(shù)值模擬時相當(dāng)于給砂質(zhì)土一個擬凝聚力。雖然管袋中的材料是砂,但從受力性能上來說,管袋圍堤是一種加筋土壩。由于土工管袋筋材的布設(shè)改變了土體不能受拉的性能,因此達到了增加整體及局部穩(wěn)定性的作用。本文主要針對雅加達KNI吹填造陸工程中的圍堰工程,先考慮土工織物以及排水板的不同布置形式,進行斷面優(yōu)化選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式,然后研究地基土的固結(jié)對堤壩穩(wěn)定性的影響。1990～1999年,印尼政府批準了在北雅加達海岸開發(fā)項目(Pantura項目)填海計劃。1994年,由PT.KapuknagaIndah.發(fā)起Pantura土地開發(fā)項目(約1萬hm2),所建人工島將被開發(fā)為雅加達擴展市區(qū),包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、高爾夫球場和一個碼頭。圍堰的初步設(shè)計方案是用抽砂船吹填方式填砂,迎海面用毛石料設(shè)置面層,但考慮到施工順利以及圍堤穩(wěn)定問題,將圍堤水下吹填砂施工改為吹填袋裝砂方案,經(jīng)驗證新方案可增加圍堰邊坡整體穩(wěn)定性,縮小圍堤斷面,加快圍堤建設(shè)速度。1土工織物加固機理在建造斜坡時,隔一定距離放入一層土工織物可以穩(wěn)定斜坡,減少斜坡的坍落,采用土工織物加固軟土地基是針對軟土邊坡的特殊破壞形式。劉開富、謝新宇、張繼發(fā)基于現(xiàn)場試驗采用大變形有限元方法對平面應(yīng)變條件下路堤填筑的破壞性狀及極限填筑高度等進行分析;曹宇春、周健運用顆粒流方法的基本理論,利用二維顆粒流程序(PFC2D)對土坡的接觸應(yīng)力場和位移場進行了模擬。通過對軟土地基的破壞分析,提出采用土工織物加固軟基并對其進行了相關(guān)研究;鄒靜蓉、楊忠等設(shè)計和制作了土工格室邊坡相似模型,對土工格室加筋邊坡變形和破壞力學(xué)機理進行了離心模型試驗研究;唐洪祥、王海清采用圓弧滑動法分析計算加筋墊層路堤得穩(wěn)定系數(shù),說明了采用土工織物的阻滑補強作用效果;劉志安、李守德等對淺海灣軟基拋填施工的整體穩(wěn)定性進行研究,研究表明底部加筋對拋填邊坡整體穩(wěn)定有重要意義;文獻介紹了土工織物加固軟基的機理分析。土工織物的加筋作用是織物與土體之間的摩擦力引起的,而且織物之間的摩擦力大于織物與土體之間的摩擦力,因此當(dāng)采用多層土工布時應(yīng)把土工布層當(dāng)做整體進行計算,而且摩擦力由織物的鋪設(shè)長度決定的,但這個長度至今仍沒有相關(guān)計算方法確定。而且現(xiàn)今大部分研究均是針對堤壩穩(wěn)定期的穩(wěn)定性,在數(shù)值分析過程中,通常采用快剪指標(biāo)分析其施工期穩(wěn)定性,但是對于分步施工情況,均采用快剪指標(biāo)明顯是不合理的。2kni項目結(jié)構(gòu)2.1圍堰的外圍堰內(nèi)砂袋圍堰斷面形式見圖1,斷面中較高坡坡比為1∶3,較低坡坡比為1∶3.5,圍堤的外側(cè)鎮(zhèn)壓平臺的寬度為8m,圍堰內(nèi)部吹填區(qū)高程為+0.9m;圍堰內(nèi)部土工砂袋采用層疊形式以保證其堅固性;排水板從坡腳或鎮(zhèn)壓平臺開始布置,并按堤壩的整體寬度來布置。2.2縱向強度分析荷蘭標(biāo)準下路堤地基各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。管袋織物縱向強度由室內(nèi)試驗得到,換算后單寬每層管袋強度為60kN,優(yōu)化分析中斷面底層長管袋層數(shù)的增加僅僅基于增加通長管袋抗拉強度。3段優(yōu)化及土壤固結(jié)分析本文中穩(wěn)定性分析計算使用的軟件均為DelftGeosystems之Mstab9.8。采用畢肖普圓弧滑動模型。3.1段優(yōu)化分析3.1.1下墊管袋布置斷面形式優(yōu)化選擇主要從以下3個方面考慮:a.排水板布置位置:如圖1所示,①表示排水板從坡腳開始布置,②表示排水板從平臺開始布置;b.底層通長管袋層數(shù);c.上部堤體管袋布置形式:如圖1所示,③表示上部堤體管袋采用不分級梯形布置,④表示上部堤體管袋采用塔形分級布置。在本文中,對豎直排水板、通長管袋和上部堤體管袋的布置進行了優(yōu)化分析,主要從安全方面考慮,其結(jié)果見表2。3.1.2底層管袋增強和分級布置由表2中方案1、2可知:當(dāng)排水板從平臺開始布置時,圍堰整體穩(wěn)定性剛滿足要求;由方案3、4和方案1、2比較得出排水板從坡腳開始布置比從平臺邊緣開始布置其安全系數(shù)提高了26%左右。原因是坡腳位置為最危險滑弧滑出點附近區(qū)域,此位置布置排水板可增強土體強度。而且提高該部位的剛性可限制軟土層的側(cè)向變形,提高工程的可靠性。表2中的方案3、4、5和6可以得出底層通長管袋可以顯著地提高邊坡穩(wěn)定。隨著底層管袋層數(shù)增加,圍堰整體穩(wěn)定性不斷提高,每個方案相對于前一方案增加量分別為2.23%、2.18%、2.14%,增加量較小且有減小趨勢,可知在滿足整體穩(wěn)定要求時可不增加底層管袋層數(shù)。上部堤身管袋采用塔形分級布置可以減少管袋的數(shù)量和簡化施工,表2中的方案7和8表達出這種布置方式將導(dǎo)致穩(wěn)定性的稍有降低,分級布置將導(dǎo)致最危險滑弧上移,并且滑弧不穿越底部長管袋而直接在上部堤身滑出,因底層長管袋對上部堤體整體穩(wěn)定沒有影響,所以方案7和8的安全系數(shù)相同,其邊坡的滑動面及斷面示意圖見圖2。上部管袋不分級布置疊砌而成的梯形堤身,因其本身剛度較大,整體性較強,因此滑弧不會通過堤身,于是滑弧半徑加大滑弧面也轉(zhuǎn)向深處,因而改善了堤壩強度,增加堤壩整體局部穩(wěn)定性,其邊坡的滑動面及斷面示意圖見圖3。由此可知:方案1和2剛滿足穩(wěn)定性要求,方案3至方案8均已滿足要求,后兩種方案計算結(jié)果相對于前4種方案安全系數(shù)雖然略低,但整體穩(wěn)定性早已滿足要求,而且上部管袋分級布置形式不僅大量節(jié)省材料也便于施工;因此堤體最優(yōu)構(gòu)造形式為方案7。3.2固結(jié)過程的計算是否可能進行快剪指標(biāo)計算更能夠反映下下下下下下結(jié)對施工期進行數(shù)值模擬時土層參數(shù)通常采用室內(nèi)試驗快剪指標(biāo),對于某些分步施工情況,如果整個過程均采用快剪指標(biāo)進行計算,計算結(jié)果肯定是不合理的,因為當(dāng)進行下一階段施工時前一階段已施工完結(jié)并且下層土體已發(fā)生固結(jié),若一直采用快剪指標(biāo)結(jié)果必然有誤差,因此對下部土體采用固結(jié)參數(shù)進行計算更能反映實際情況。3.2.1基于荷基固結(jié)不排水壓縮試驗結(jié)果當(dāng)考慮土體固結(jié),由于豎向排水板的作用,土層在不同時間會有不同的固結(jié)度,土體固結(jié)引起強度增長由下式進行估算:τft=τf0+Δσz·Uttanφ′,(1)tanΔφ=Uttanφ′,(2)Δφ=arctan(Uttanφ′),(3)式中:τft為t時刻,該點土的抗剪強度,kPa;τf0為地基土的天然抗剪強度,kPa;Δσz為預(yù)壓荷載引起的該點的豎向附加應(yīng)力,kPa;Ut為該點土的固結(jié)度;φ′三軸固結(jié)不排水壓縮試驗求得的土的內(nèi)摩擦角;Δφ為土體固結(jié)引起強度增長后的摩擦角。施工順序各個階段情況見表3;基于荷蘭標(biāo)準在不同時間固結(jié)度見表4。表4中Ut的數(shù)值由DelftGeosystems之Msettle計算得到。針對斷面優(yōu)化分析中的方案5,對不考慮土體固結(jié)和考慮土體固結(jié)分別進行穩(wěn)定性計算,數(shù)值分析結(jié)果見表5。3.2.2土體固結(jié)和應(yīng)力的關(guān)系由表5可知:堤壩剛開始施工時,由于吹填高度不高,因此邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果較后者大。當(dāng)施工時間持續(xù)很長以后,由于孔隙水的排出使得地基有效應(yīng)力不斷增大,地基承載力增強,因此保證了地基的穩(wěn)定;不考慮土體固結(jié)的計算很保守,在設(shè)計時會增加軟基加固費用,必會造成浪費;分步施工存在時間差,在這個時間內(nèi)土體發(fā)生固結(jié),提高了地基承載力,增加了整體穩(wěn)定性,考慮土體固結(jié)計算更接近實際情況。由計算也可以看出當(dāng)階段3(t=210d)結(jié)束時結(jié)果仍相差不多,由此可推知如果加快固結(jié)可以在更短的時間內(nèi)提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),保證地基的穩(wěn)定以及后續(xù)施工的安全。4管袋體系及支護的穩(wěn)定性①圍堤下部排水板布置在外側(cè)到坡腳位置與布置到平臺邊相比較,前者能夠有效提高安全系數(shù)和工程可靠性。底層通長管袋的加筋作用對提高安全系數(shù)敏感性高。②上部管袋采用塔形分級布置方案相對于梯形不分級