土工管袋充填粉細(xì)砂在軟土地基上的應(yīng)用

1施工圍堤穩(wěn)定性分析長(zhǎng)江口的吹掃工程在軟土基上采用了管袋技術(shù)，并成功地修建了大壩。眾所周知,在軟弱地基上修筑圍堤,施工期間圍堤的穩(wěn)定性直接決定著堤防工程的成敗。因此,對(duì)軟土地基上土工管袋圍堤的穩(wěn)定性進(jìn)行研究相當(dāng)重要,但由于土工管袋的加筋作用,使得圍堤的穩(wěn)定性分析相當(dāng)復(fù)雜,現(xiàn)有計(jì)算方法由于復(fù)雜繁難而不易被工程技術(shù)人員所接受,嚴(yán)重地限制了土工管袋在水利工程上的廣泛應(yīng)用。鑒于此,本文從土力學(xué)基本原理出發(fā),提出利用袋裝砂的擬凝聚力進(jìn)行圍堤穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法。2包裝砂的潛在凝聚力2.1基于大主應(yīng)力的作用機(jī)理通常意義上的土工合成材料模袋是一種雙層聚合化纖織物制成的連續(xù)袋狀材料。它可以代替模板用高壓泵把混凝土或砂漿灌入模袋中,混凝土或砂漿灌入以后,多余的水分可以從織物空隙中滲出,從而降低水灰比、增加強(qiáng)度和凝固速度,最后形成板狀或其它形狀的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以用于護(hù)坡或其它地基處理工程中。本文所介紹的袋裝砂,其結(jié)構(gòu)與上述模袋混凝土或模袋砂漿基本相同,只不過(guò)灌入模袋中的材料是砂。從受力性能上來(lái)說(shuō),袋裝砂圍堤實(shí)質(zhì)上是一種加筋土壩。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(dá)到增加圍堤整體及局部穩(wěn)定性的目的。現(xiàn)在的問(wèn)題就是如何確定筋材的加筋作用對(duì)圍堤穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。假設(shè)一砂土試樣取自填土地基中某一深度z處并處于靜止?fàn)顟B(tài)的單元體,則它的大小主應(yīng)力分別為:σ1=γ?z(1)σ3=Κ0?γ?z(2)式中γ為填土的重度;K0=1-sinφ′為靜止土壓力系數(shù),φ′為砂土的有效內(nèi)摩擦角。如果由于某種原因卸去側(cè)向平衡荷載(如在附近開(kāi)挖基坑),則土體會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形(側(cè)脹),此時(shí)如果大主應(yīng)力σ1仍保持不變,則小主應(yīng)力σ3必然降低。隨著基坑深挖,σ3逐漸降低,使土體逐漸達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài),此時(shí)有:σ3=Κa?γ?z(3)式中Κa=tan2(45°-φ2),為主動(dòng)土壓力系數(shù),φ為砂土的內(nèi)摩擦角。如果繼續(xù)深挖,則填土地基會(huì)由于超過(guò)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)而發(fā)生側(cè)脹破壞。為了防止填土地基的側(cè)脹破壞,在填土中鋪設(shè)一層或多層土工合成材料,此時(shí),若在大小主應(yīng)力σ1和σ3仍然保持不變的條件下,由于所鋪設(shè)的土工合成材料與砂土的相互摩擦,約束了砂土的側(cè)向膨脹,相應(yīng)地阻止了作用于砂土的側(cè)壓力σ3的降低,因此,雖然此時(shí)含有土工合成材料的砂土試樣仍處于大主應(yīng)力σ1和小主應(yīng)力σ3的作用下,但作用于砂土試樣上的側(cè)壓力σ3已不是Kaσ1,而是處于Kaσ1<σ3<K0σ1之間?，F(xiàn)假定砂土試樣和土工合成材料砂土試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)均為靜止應(yīng)力狀態(tài)(K0),其大小主應(yīng)力的關(guān)系為:σ3=Κ0σ1(4)同樣使兩試樣都在保持σ1不變的條件下,逐漸降低側(cè)壓力σ3至K0σ1,試驗(yàn)表明,此時(shí)砂土試樣已出現(xiàn)主動(dòng)極限平衡狀態(tài)而破壞,其應(yīng)變?yōu)棣臿;而土工合成材料砂土試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系仍處于近似線(xiàn)性狀態(tài),此時(shí)土工合成材料砂土試樣對(duì)應(yīng)于砂土試樣破壞時(shí)的應(yīng)變?yōu)棣拧鋋(<εa),試樣仍處于彈性穩(wěn)定狀態(tài),可以認(rèn)為:由于土工合成材料的作用,約束了土工合成材料砂土試樣的側(cè)向變形,比砂土試樣破壞應(yīng)變的減少值為:Δε=εa-ε′a(5)土工合成材料的加筋作用就相當(dāng)于給土體施加了一個(gè)外部約束壓力Δσ3,使其應(yīng)力狀態(tài)回復(fù)至Kaσ1和K0σ1之間。此時(shí),若要使土工合成材料砂土試樣在主動(dòng)極限平衡狀態(tài)下使砂土達(dá)到極限平衡而破壞,必須增大σ1至被動(dòng)極限平衡狀態(tài)σ1f,即:σ1f=(σ3+Δσ3)?Κp(6)式中Κp=tan2(45°+φ2),為被動(dòng)土壓力系數(shù)。綜上所述,由于土工合成材料的加筋作用,相應(yīng)地提高了砂土試樣的承載能力,即:Δσ1f=σ1f-σ1(7)2.2土工合成材料的作用機(jī)理已有試驗(yàn)證明:加筋的砂土試樣的破壞包絡(luò)線(xiàn)與無(wú)加筋的砂土試樣的破壞包絡(luò)線(xiàn)基本平行,即其內(nèi)摩擦角近似相等,但兩者的凝聚力不同?；诖私Y(jié)論,再根據(jù)以上加筋機(jī)理的分析,加筋材料的加筋效果就相當(dāng)于在無(wú)加筋砂土試樣的凝聚力C的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)凝聚力Cp,可稱(chēng)之為擬凝聚力,即當(dāng)土工合成材料砂土試樣在主動(dòng)極限平衡狀態(tài)下使砂土達(dá)到極限平衡而破壞時(shí),根據(jù)摩爾—庫(kù)侖破壞圓,有:σ1f=σ3?Κp+2Cp√Κp(8)比較式(6)和(8),得到:Cp=Δσ3√Κp/2(9)應(yīng)該指出的是,上述關(guān)于土工合成材料在砂土試樣中的作用機(jī)理都是建立在筋材不出現(xiàn)斷裂和滑動(dòng)的假設(shè)基礎(chǔ)上,同時(shí)也不考慮筋材的變形。事實(shí)上,土工合成材料由于其模量低,延伸率較大,因此它并不能完全限制土體的側(cè)向變形,所以,對(duì)于土工合成材料的作用機(jī)理,不考慮其變形特性對(duì)作用效果的影響是不符合工程實(shí)際的。取加筋試樣楔體進(jìn)行受力分析(見(jiàn)圖1),根據(jù)靜力平衡條件,有:Τ+σ3Atanθ=σ1fAtan(θ-φ)(10)Τ=ASyRftanθ(11)式中A為試樣的截面積;θ為破裂角,θ=45°+φ2;T為與破裂面相交的各土工合成材料層的水平合力;Rf為單位厚度土工合成材料試樣(縱向)中筋材的極限抗拉強(qiáng)度;Sy為土工合成材料層間距。由式(10)和(11)可以得到:σ1f=σ3?Κp+RfSyΚp(12)比較式(8)和(12),可以得到:Cp=Rf2Sy√Κp(13)式(13)即綜合考慮了土工合成材料的加筋機(jī)理以及筋材的抗拉強(qiáng)度和變形性質(zhì)后得到的土工合成材料砂土試樣擬凝聚力Cp。3包裝砂壩的穩(wěn)定分析3.1抗拉壓對(duì)無(wú)加筋的土堤,若土堤建在較厚的軟土層上時(shí),其破壞形式一般為圓弧滑動(dòng)或沖切式下沉隆起;若土堤建在薄層軟土層上時(shí),則為側(cè)向擠出破壞。在軟基上的加筋堤,由于有加筋墊層或整體加筋,其破壞形式明顯地與加筋有關(guān),大致有如下5種情況。(1)地基沉降原因當(dāng)?shù)鼗浫?強(qiáng)度不足時(shí),由于產(chǎn)生較大的沉降,加之所鋪設(shè)的土工織物強(qiáng)度太小以及剛度低,則由于沉降過(guò)大,土體的變形遠(yuǎn)大于織物的容許變形,致使土工織物被拉斷,填土和地基一起滑動(dòng)。(2)鋼筋斷裂當(dāng)填土軸中心沉降較大時(shí),在基礎(chǔ)底面形成一弓形基底沉降剖面,織物被拉斷后,呈對(duì)稱(chēng)圓弧滑動(dòng)。(3)路堤下沉的穩(wěn)定性在填筑過(guò)程中,由于一次加載過(guò)大,路堤突然下沉,但仍未失去其穩(wěn)定性。其特點(diǎn)是當(dāng)?shù)鼗烈呀?jīng)進(jìn)入剪切破壞(或塑性流動(dòng)),但填土和筋材尚未破壞。(4)地基土局部剪切當(dāng)軟弱層很薄時(shí),如果加筋墊層具有足夠的抗拉強(qiáng)度、剛度和完整性,地基土可能會(huì)突然下沉,但很快就趨于穩(wěn)定。突然下沉說(shuō)明地基已經(jīng)出現(xiàn)局部剪切破壞;很快就趨于穩(wěn)定說(shuō)明塑性擠出后,地基土又獲得了新的平衡。(5)影響加筋堤滑動(dòng)的因素當(dāng)設(shè)計(jì)的壩坡過(guò)陡時(shí),沿填土與筋層之間產(chǎn)生較大的滑動(dòng)力,當(dāng)加筋或填土的摩擦力不能滿(mǎn)足時(shí),就會(huì)沿筋材表面發(fā)生水平滑動(dòng)。從以上分析可知:影響加筋堤破壞形式的因素主要是筋材的抗拉強(qiáng)度和延伸率、加筋墊層的剛度和完整性、軟土層的厚度及其強(qiáng)度和變形性質(zhì)等。其中筋材強(qiáng)度控制潛在滑動(dòng)面發(fā)展的位置;軟土層的厚度影響潛在滑動(dòng)面的形態(tài);加筋墊層的強(qiáng)度、剛度及完整性則影響分析模型的建立。3.2拉裂土工材料的穩(wěn)定性土工合成材料用于增加填土的穩(wěn)定性時(shí),其鋪設(shè)方法有以下3種:①鋪設(shè)在堤底與填土間;②在堤身內(nèi)填土層鋪設(shè);③模袋圍堤,即利用袋裝砂分層疊筑。一般來(lái)說(shuō),袋裝砂是前兩種施工形式的結(jié)合。在穩(wěn)定性分析中,前兩種整體穩(wěn)定性分析規(guī)范推薦采用瑞典法和荷蘭法進(jìn)行。瑞典法的計(jì)算模型是假定土工聚合物的拉應(yīng)力總是保持在原來(lái)的鋪設(shè)方向。由于土工聚合物產(chǎn)生拉力,增加了兩個(gè)穩(wěn)定力矩,如圖2所示。首先按照常規(guī)方法找出最危險(xiǎn)滑弧的圓心坐標(biāo)及半徑以及相應(yīng)的最小安全系數(shù)Kmin;然后加入有土工合成材料這一因素,假設(shè)此時(shí)最危險(xiǎn)滑弧的圓心坐標(biāo)和半徑不變,要拉裂土工材料就要克服其總抗拉強(qiáng)度S以及在填土內(nèi)沿垂直方向開(kāi)裂所產(chǎn)生的抗力Stanφ(φ為填土的內(nèi)摩擦角)。如以O(shè)為力矩中心,則前者的力臂為a,后者的力臂為b。加筋前的最小安全系數(shù)為:Κmin=Μ抗Μ滑(14)加筋后的安全系數(shù)為:Κmin=Μ抗+Μ土?聚合物Μ滑(15)則增加的安全系數(shù)為:ΔΚ=S(a+btanφ)Μ滑(16)荷蘭法的計(jì)算模型是假定土工聚合物在和滑弧相切處形成一個(gè)與滑弧相適應(yīng)的扭曲,且土工聚合物的抗拉強(qiáng)度S可認(rèn)為是直接切于滑弧,如圖3所示。繞滑動(dòng)圓心的力矩的力臂等于滑弧半徑R,此時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:Κmin=∑(cili+Qicosαitanφi)+SR∑Qisinαi(17)式中Qi為土條重;ci為土的凝聚力;αi為土條與滑動(dòng)面的傾斜角;li為土條底寬。對(duì)于層層疊筑的袋裝砂圍堤,上述兩種穩(wěn)定分析方法存在如下困難:①由于層間砂土較薄,加筋材料層數(shù)太多,這大大地增加了計(jì)算工作量;②加筋材料對(duì)整體滑動(dòng)的作用實(shí)質(zhì)既不同于瑞典法模型,也不同于荷蘭法模型,而是兩者的綜合,因此用這兩種方法中的任何一種都不能完全反映實(shí)際情況,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在差距?；诖?如果考慮到加筋材料的加筋效果,就相當(dāng)于在無(wú)加筋材料砂土試樣的凝聚力C的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)凝聚力Cp,對(duì)于層層疊筑的圍堤穩(wěn)定性計(jì)算,我們就可以把工程上較為通行的且被廣大工程技術(shù)人員所接受的圓弧滑動(dòng)法(簡(jiǎn)化Bishop法)移植到袋裝砂圍堤的穩(wěn)定性計(jì)算中來(lái),這樣一方面可以避免固守前兩種計(jì)算方法帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際存在差距的缺陷;另一方面也可以大大地簡(jiǎn)化計(jì)算工作量,且得到的計(jì)算結(jié)果也完全能夠滿(mǎn)足工程的需要。4填砂及地基軟土的物理力學(xué)性質(zhì)圖4為長(zhǎng)江口某一吹填工程袋裝砂圍堤的典型斷面示意圖