复合加筋排水褥垫加固软基影响因素及路堤稳定性分析

铁道建筑90RailwayEngineering文章编号：1003—1995(2010)07．0090~4复合加筋排水褥垫加固软基影响因素及路堤稳定性分析蔡晓光，刘汉龙，范丽远(1．防灾科技学院防灾工程系，河北三河065201；2．河海大学岩土工程科学研究所，南京210098；3．中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080)摘要：复合加筋排水褥垫是针对沿海缺砂地区开发的一项新型专利技术。可取代软基加固中的排水砂垫层，同时具有水平排水与加筋作用。对复合加筋排水褥垫加固软土路基技术的加筋效果影响因素、加固地基后路堤的稳定性以及经济性进行分析。结果表明：复合加筋排水褥垫层对于软弱地基、路堤高度相对较低、软土地基厚度较大的工况加筋效果更明显；与砂垫层相比，复合加筋排水褥垫可有效提高路堤边坡稳定性并且节省造价。关键词：复合加筋排水褥垫软基影响因素稳定性经济性中图分类号：TU472．34文献标识码：A排水固结法是处理软土地基的有效方法之一。为了加速排水固结作用进程，在预压前往往先在地基中设置排水通道，包括竖向的塑料排水带、水平向的砂垫层等。而在我国东部沿海地区，由于部分地区砂土比＼塑料排水板较缺乏，给软基加固工程的顺利进行带来诸多不便。图2复合加筋排水褥垫加固软土路基示意基于此，同时具有水平排水和加筋作用的复合加筋排1复合加筋排水褥垫技术介绍水褥垫应运而生，其平面布置如图1，加固软土路基示意如图2。已有研究结果表明：复合加筋排水褥复合加筋排水褥垫技术适用于排水固结软基加固垫可以有效满足水平排水要求，另外与传统的水平排工程。该褥垫可以代替水平排水砂料垫层，并且对路水砂垫层相比，该技术可降低地基附加正应力和超孔堤有加筋作用(图1)，包括①条状塑料褥垫；②针刺隙水压力，有效抑制路基侧向变形的发展，减小路基沉无纺布；③连接槽；④扒钉。该复合排水褥垫特征是：降与不均匀沉降，提高路基稳定性，加筋效果显著，施选用聚丙烯原料，在高温下热溶后通过模具挤出1mm工安装方便、效率高。直径的塑料细丝，塑料细丝互相缠绕(如方便面形状)形成矩形截面的条状排水褥垫①，排水褥垫①外包针刺无纺土工布②。在条状排水褥垫①上面打孔形成连接槽③以便于打设于地基中的塑料排水板插入。通过扒钉④使条状塑料褥垫①连接成井字形状的复合加筋①条状排水褥垫；②针刺无纺布；③连接槽；④扒钉排水褥垫。软土地基固结时，地基孔隙水经由塑料排图1复合加筋排水褥垫示意水板、条状加筋排水褥垫排出加固区外。条状塑料褥本文进一步对复合加筋排水褥垫加固软土路基技垫的断面形式及材料参数见图3和表1。术性能进行探讨，包括采用该技术的加筋效果影响因复合加筋排水褥垫施工顺序如下：(1)平整路基素、加固地基后路堤的稳定性以及经济性进行分析。场地，清除地面树干、树根及突出物，排水板施工机具就位；(2)塑料排水板施工；(3)沿路堤纵向、横向铺设条状塑料褥垫，使排水板插入连接槽中；(4)在条状塑收稿日期：2010-04·13；修回日期：2010-05-20基金项目：本课题由中国地震局教师科研基金资助(200901l0)；2009年料褥垫纵横交接处，安装扒钉使条状塑料褥垫连接成中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动开放实验室资助井字形状的复合加筋排水褥垫；(5)路堤填筑。作者简介：蔡晓光(1979一)，男，河南鹤壁人，讲师，博士。 2010年第7期复合加筋排水褥垫加固软基影响因素及路堤稳定性分析9l中空矩形图3条状排水褥垫断面形式(a)复合加筋排水褥垫加固软土路基表1SMJ150X50_2D矩形中空塑料褥垫主要特性指标卜—(b)砂垫层加固软土路基2土体和复合加筋排水褥垫本构模型图4路堤计算模型(单位：m)2．1土体模型本文采用扩展的Drucker—Prager模型来模拟路堤填土和淤泥质黏土。路堤填土的排水固结过程采用Biot固结原理进行计算。2．2复合加筋排●水●褥●，垫本构关系L十●●复合加筋排水褥垫具有抗压承载、抗拉和渗透排水性能。在ABAQUS分析过程中，采用实体单元来模图5加载时间历程拟复合加筋排水褥垫抗压与渗透性能，采用空间薄板表2土体模型参数单元模拟其抗拉性能。实体单元作为主区，空间薄板单元作为嵌入区通过界面约束命令嵌入到主区中，从而实现复合加筋排水褥垫层的模拟。复合加筋排水褥垫一方面具有抗压承载和渗透排水性能，另一方面具有抗拉性能。在一般条件下，其抗压与抗拉应力应变关系处在弹性范围之内，故在分析过程中可以将其简化为线弹性材料。排水褥垫由塑料芯体和外包土工布滤膜复合而成。芯体选用截面尺寸为15cm×5cm的中空矩形塑3影响因素分析料盲沟(SMJ150×50—2D)。复合加筋排水褥垫的排水3．1计算条件能力由渗入排水褥垫的水流量和排水褥垫的排水流量计算模型见图4E43，路堤高度5m，坡比1：t．5，路两者中的小值确定。根据试验结果，排水褥垫芯体内基表面设置复合加筋排水褥垫层，排水板间距1．5m的水流处于符合伯努利定律的管流及符合达西定律的正方形布置。为了方便计算，计算时对地基条件做了渗流之间的状态。本文计算中，为了方便计算，假简化，取10m厚淤泥质软土，其下为基岩，地下水位位设排水褥垫芯体符合达西定律，水力梯度取1％，排于地表处。为了分析复合加筋排水褥垫的排水与加筋水褥垫取等效渗透系数为6．24m／s。排水褥垫的计效果，取0．5m厚砂垫层软土路堤为平行算例进行对算参数见表3。比分析。路堤施工过程见图5。施工过程路堤分5表3复合加筋排水褥垫材料性能次加载，每层厚度为1m，在30d内填筑，间歇期为30d，工后计算固结时间为500d。，土体模型采用D—P模型，参数见表2E4]。排水板渗透系数1．99m／d，为简化计算，排水板的密度和模计算模型考虑对称性，横向取路堤宽度的一半，沿型参数与同层土的相应参数一致，即只考虑塑料排水路基纵向取一个排水板间距即1．5m，地基土体和排板的排水作用，而不考虑打设塑料排水板带来的地基水垫层以八结点四面体减缩积分孔压单元(C3D8RP)刚度变化。砂垫层厚度0．5m，采用线弹性模型计算。进行剖分，上部填土以八结点四面体减缩积分单元 92铁道建筑(C3D8R)进行剖分，共划分11088个单元，13741个结020点。复合加筋排水褥垫层模型如图6所示。’02善粪m．0一0．8图6复合加筋排水褥垫层侧向变形，m距离堤轴距离(b)堤趾垂线下侧咎曲线(a1路堤底部沉降曲线3．2地基强度设置复合加筋排水褥垫层改变了地基的应力场和图8填土高度与复合加筋排水褥垫层位移场，软基模量大小对复合加筋排水褥垫层的加筋加筋效果的关系效果有着较大的影响。改变软基模量为0．5MPa、1MPa和1．5MPa，比较复合加筋排水褥垫层堤与砂垫层堤差异，计算结果见图7。。一。2m堤轴离-0．8Ia)路堤底部{}c降曲线：芝图9软土层厚度与复合加筋排水褥垫层-1．4加筋效果的关系距离堤轴距离『m佣向变形，m辟堤底部掘降曲线堤趾垂线下侧移曲线0．2％、14．6％和4．9％，堤趾垂线下最大侧移分别减图7地基模量与复合加筋排水褥垫层小了3．0％、2．9％和2．1％。对于中等(软土厚10m)加筋效果的关系和深厚软土地基(软土厚20m)，采用复合加筋排水褥由图7可知，地基模量对路堤底部的竖向位移和堤垫层有效限制了软土地基的沉降，对软土的侧向位移趾垂线下地基深度的水平位移影响较大。施工结束时也有一定的效果。复合加筋排水褥垫层对于中等和深(第770d)，软基模量分别为0．5MPa、1MPa和1．5厚软土地基的加筋效果更明显。MPa，复合加筋排水褥垫层堤与砂垫层堤相比，路堤底4复合加筋排水褥垫技术稳定性分析部中心的沉降分别减少了10．8％、7．2％和5．6％；堤趾垂线下最大侧移分别减小了4．2％、4．8％和4．8％。这为了分析复合加筋排水褥垫对路堤边坡稳定的影表明，复合加筋排水褥垫层对软弱地基有较强的适应能响，利用强度折减弹塑性有限元计算方法对复合加筋力，地基越软弱，复合加筋排水褥垫加筋效果越明显。排水褥垫软土路堤边坡进行分析，计算结果与砂垫层3．3填土高度软土路堤进行对比。计算算例的几何尺寸见图10，取路堤填土高度分别为3m、5m和7m，比较复土体选用Mohr．Coulomb模型，计算参数见表4。三维合加筋排水褥垫层堤与砂垫层堤的差异，计算结果见图8。路堤底部沉降与堤趾垂线下侧移随着填土高度的增加而增大。当路堤堆载结束时，填土高度分别为3m、5m和7m，复合加筋排水褥垫层堤与砂垫层堤相比，路堤底部中心的沉降分别减少了24．2％，14．6％图10复合加筋排水褥垫层加固路堤边坡断面(单位：m)和6．9％，堤趾垂线下最大侧移分别减小了5．5％、表4土体模型参数2．9％和0．3％。可见路堤高度越小，复合加筋排水褥垫层的加筋作用越明显。3．4软土层厚度由图9可知，在不同软土层厚度条件下，复合加筋排水褥垫堤较砂垫层堤路堤底部沉降与堤趾垂线下侧移均有不同程度的减小。当路堤堆载结束时，软土层厚度分别为5m、10m和20m，复合加筋排水褥垫层堤与砂垫层堤相比，路堤底部中心的沉降分别减少了 2010年第7期复合加筋排水褥垫加固软基影响因素及路堤稳定性分析93计算模型厚度方向取1．5m，土体以八结点四面体单5复合加筋排水褥垫技术经济性分析元进行剖分，共划分12588个单元，16540个结点。图11为路堤特征节点无量纲水平位移与强度折复合加筋排水褥垫技术与砂垫层的经济性通过具减系数的关系曲线。由图11可见，复合加筋排水褥垫体工况进行对比分析。上海北环高速公路软基处理采加固路堤的边坡安全系数为1．617；而采用传统砂垫用堆载预压加固方式，水平排水垫层方案一采用50层加固路堤的边坡安全系数为1．535，边坡加固后的em砂垫层，方案二采用复合加筋排水褥垫层，褥垫层安全系数提高了5．3％，加筋效果良好。中间铺素填土，塑料排水板间距1．5m，正方形布置。根据地方造价计算：方案一：50em厚砂垫层综合单价(含运送、施工)稔为60元／m；《方案二：复合加筋排水褥垫间距设计为1．5m×1．5m=2．25m，控制面积2．25m内褥垫长度为1．5O．80．91．01．11．21-31．41．5I．6+1．5=3m。复合加筋排水褥垫综合单价为16元／m，折减系数(a)砂垫层堤则2．25m内加筋3×16=48元，折合地面每平方米为48÷2．25=21．33元／m。50cm厚素土综合单价(含运送、施工)为13元／m。采用复合加筋排水褥垫单价为34．33元／m。比较上述两方案，方案二每m节约25．67元。6结论折减系数(b)复合加筋排水褥垫堤1)复合加筋排水褥垫层对软弱地基有较强的适图11特征节点无量纲水平位移与强度应能力，地基越软弱，复合加筋排水褥垫层加筋效果越折减系数的关系明显；路堤高度相对较低时，复合加筋排水褥垫层的加筋作用较明显；复合加筋排水褥垫层对中等和深厚软图12为迭代计算不收敛时，砂垫层路堤与复合加土地基有更明显的加筋效果。筋排水褥垫路堤等效塑性应变分布。由图12可见，迭2)与砂垫层路堤相比，复合加筋排水褥垫路堤边代计算不收敛时，砂垫层路堤堤趾处有塑性集中区出坡稳定性提高。现。设置复合加筋排水褥垫后，加强了路堤上部填土3)与砂垫层比，复合加筋排水褥垫可节省造价。的整体性，改变了破坏时路堤的塑性应变分布，塑性应变自堤趾到堤肩贯通，呈带状分布，该塑性应变带即为参考文献相应的最危险潜在滑动面。[1]刘汉龙，王保田，陈永辉，等．复合加筋排水褥垫[P]．中国．ZLO2218323．X．2002．12—16．[2]蔡晓光，刘汉龙．复合加筋排水褥垫软土路堤有限元分析[J]．岩土力学，2008，29(8)：2302—2307．[3]蔡晓光．复合加筋排水新材料加固路基变形与稳定分析[D]．南京：河海大学，2008．[4]杨庆刚，黄晓明，柴建峰．土工格栅路堤加筋效果的影响因素分析[J]．工程地质学报，2006，14(1)：131．137．(a)砂垫层堤[5]河海大学岩土工程研究所．真空一堆载联合预压技术在沪青平高速公路软基处理中应用研究报告[R]．南京：河海大学岩土工程研究所，2001．[6]河海大学岩土工程研究所．高速公路复合加筋排水褥垫软基加固试验研究项目建议书[R]．南京：河海大学岩土工程研究所，2003．(b)复合加筋排水褥垫堤(责任审编葛全红)图12迭代计算不收敛时等效塑性应变分布