复合加筋排水褥垫加固软基影响因素及路堤稳定性分析.pdf

9 0 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 9 0 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0 6 5 2 0 1 ；2 河海 大学 岩 土工程科学研究所 ， 南京2 1 0 0 9 8 ； 3 中国地震局工程力学研究 所 ， 哈尔滨1 5 0 0 8 0 ) 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 ： T U 4 7 2 3 4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 较缺乏， 给软基加 固工程 的顺利进行带 来诸多不便。 基于此， 同时具有水平排水和加筋作用 的复合加筋排 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 垫可以有效满足水平排水要求 ， 另外 与传统 的水平排 水砂垫层相 比， 该技术可降低地基附加正应力和超孔 隙水压力 ， 有效抑制路基侧向变形的发展 ， 减小路基沉 降与不均匀沉降 ， 提高路基稳定性 ， 加筋效果显著 ， 施 工安装方便 、 效率高。 条状排水褥垫； 针刺无纺布 ； 连接槽 ； 扒钉 图 1 复合加筋排 水褥 垫示 意 本文进一步对复合加筋排水褥垫加 固软土路基技 术性能进行探讨 ， 包括采用该 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 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 4 1 3 ； 修回 日期 ： 2 0 1 0 -05 - 2 0 基金项 目： 本课题 由中国地震局教师科研基金资助( 2 0 0 9 0 1 l 0 ) ； 2 0 0 9年 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 作者简介 ： 蔡晓光( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 河南鹤壁人 ， 讲师 ， 博士。 塑料排水板 图 2 复合加筋排水褥垫加固软土路基示意 1 复合加筋 排水 褥垫技术 介绍 复合加筋排水褥垫技术适用于排水 固结软基加 固 工程。该褥垫可以代替水平排水砂料垫层 ， 并且对路 堤有加筋作用( 图 1 ) ， 包括 条状 塑料褥垫 ； 针刺 无纺布； 连接槽 ； 扒钉 。该 复合排水褥垫特征是 ： 选用聚丙烯原料 ， 在高温下热溶后通过模具挤出 1 m m 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 ， 排水褥垫外包针 刺无纺土工布。在条状排水褥垫上面打孔形成连 接槽 以便于打设于地基中的塑料排水板插入。通过 扒钉使条状塑料褥垫连接成井字形状的复合加筋 排水褥垫。软土地基 固结时 ， 地基孔 隙水经 由塑料排 水板 、 条状加筋排水褥垫排出加 固区外。条状塑料褥 垫的断面形式及材料参数见图 3和表 1 。 复合加筋排水褥垫施工顺序如下 ：( 1 ) 平整路基 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 料褥垫纵横交接处 ， 安装扒钉使条状塑料褥垫连接成 井字形状的复合加筋排水褥垫 ； ( 5 ) 路堤填筑 。 2 0 1 0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 9 l 中空矩形 图 3 条状排水褥垫断面形式 表 1 S MJ 1 5 0 X 5 0 _ 2 D矩形 中空塑料褥垫主要特性指标 2 土体和复合加筋排水褥垫本构模型 2 1土体 模型 本文采用扩展 的 D r u c k e r P r a g e r 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 B i o t 固结原理 进行 计算 。 2 2复合加 筋排 水褥 垫本构 关 系 复合加筋排水褥垫具有抗压承载 、 抗拉和渗透排 水性能。在 A B A Q U S分析过程 中， 采用实体单元来模 拟复合加筋排水褥垫抗压与渗透性能 ， 采用空间薄板 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 。 3影响因素分 析 3 1 计 算条件 计算模型见 图 4 E 4 3 ， 路堤高度 5 m， 坡比 1 ： t 5 ， 路 基表 面设 置复 合 加 筋 排 水 褥 垫 层 ， 排 水 板 间 距 1 5 m 正方形布置。为了方便计算 ， 计算时对地基条件做 了 简化 ， 取 1 0 m厚淤泥质软土 ， 其下为基岩 ， 地下水位位 于地表处。为了分析复合加筋排水褥垫的排水与加筋 效果 ， 取 0 5 m 厚砂 垫层 软 土 路 堤 为平 行 算 例 进 行 对 比分析 。路堤施工过程见 图 5 。施工过程路堤分 5 次加载 ， 每层厚度为 1 m， 在 3 0 d内填筑 ， 间歇期为 3 0 d ， 工后计算固结时间为 5 0 0 d 。 ， 土体模型采用 D P模 型， 参数见表 2 E 4 。排水板 渗透系数 1 9 9 m d ， 为简化计算 ， 排水板 的密度和模 型参数与同层土的相应参数一致， 即只考虑塑料排水 板的排水作用 ， 而不考虑 打设塑料排水板带来 的地基 刚度变化。砂垫层厚度 0 5 m， 采用线弹性模型计算。 ( a ) 复合加筋排水褥垫加 固软土路基 卜 ( b )砂垫层加固软土路基 图 4路堤计算模 型( 单位 ： m) 图 5加载时间历程 表 2 土体模 型参数 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 1 5 c m 5 c m的中空矩形塑 料盲沟( S M J 1 5 0 5 0 2 D) 。复合加筋排水褥垫的排水 能力 由渗入排水褥垫的水流量和排水褥垫的排水流量 两者 中的小值确定。根 据试验结果 ， 排水褥垫芯体 内 的水流处于符合伯努利定律的管流及符合达西定律的 渗流之间的状态 。本 文计 算 中， 为了方便计算 ， 假 设排水褥垫芯体符合达西定律 ， 水力梯度 取 1 ， 排 水褥垫取等效 渗透系数为 6 2 4 m s 。排水褥垫 的计 算参数见表 3 。 表 3复合加筋排水褥垫材料性能 计算模型考虑对称性 ， 横向取路堤宽度的一半 ， 沿 路基纵向取一个排水板 间距 即 1 5 m， 地基土体和排 水垫层以八结点四面体减缩积分孔压单元 ( C 3 D 8 R P ) 进行 剖分， 上 部填土 以八 结点 四面体减缩积 分单元 ， L十 9 2 铁道建筑 ( C 3 D 8 R) 进行剖分 ， 共划分1 1 0 8 8 个单元 ， 1 3 7 4 1 个结 点。复合加筋排水褥垫层模型如图 6所示。 图 6 复合加筋排水褥垫层 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 位 移场 ， 软基模 量大 小 对 复合 加 筋 排水 褥 垫 层 的加筋 效果有着较大 的影 响。改变软基模量为 0 5 M P a 、 1 MP a和 1 5 MP a ， 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。 2 -0 8 ： 芝 -1 4 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 图 7 地基模量与复合加筋 排水褥 垫层 加筋效果的关系 由图7可知， 地基模量对路堤底部的竖向位移和堤 趾垂线下地基深度的水平位移影响较大。施工结束时 ( 第 7 7 0 d ) ， 软基模量分别 为 0 5 M P a 、 1 MP a和 1 5 MP a ， 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 1 0 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 表明， 复合加筋排水褥垫层对软弱地基有较强 的适应能 力 ， 地基越软弱， 复合加筋排水褥垫加筋效果越明显。 3 3 填 土高度 取路 堤填 土 高度 分 别 为 3 m、 5 m 和 7 m， 比较 复 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 3 m、 5 m和 7 m， 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 2 4 2 ， 1 4 6 和 6 9 ， 堤趾 垂线 下最大 侧移 分别 减小 了 5 5 、 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 5 m、 1 0 m和 2 0 m， 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 0 2 0 02 善 粪m 0 一0 8 距离堤轴距离 ( a 1 路堤底部沉降 曲线 侧 向变 形， m ( b )堤趾垂线下侧咎曲线 图 8 填土高度与复合加筋排水褥垫层 加筋效果 的关系 m 堤轴 离 I a )路堤 底部 c 降曲线 图 9 软土层厚度与复合加筋排水褥垫层 加筋效果的关系 0 2 、 1 4 6 和 4 9 ， 堤 趾 垂 线 下 最 大 侧 移 分 别 减 小了 3 0 、 2 9 和 2 1 。对于中等( 软土厚 1 0 m) 和 深厚软 土地 基 ( 软 土厚 2 0 m) ， 采用 复合 加筋排 水褥 垫层有效限制了软土地基 的沉降， 对软土 的侧 向位移 也有一定的效果 。复合加筋排水褥垫层对于中等和深 厚 软土地基 的加筋效 果更 明显 。 4 复合加筋排水褥垫技术稳定 性分 析 为了分析复合加筋排水褥垫对路堤边坡稳定的影 响， 利用强度折减弹塑性有 限元计算方法对复合加筋 排水褥垫软土路堤边坡进行分析 ， 计算结果与砂垫层 软土路堤进行对 比。计算算例的几何尺 寸见图 1 0 ， 土体选用 Mo h r C o u l o m b模 型， 计算参数见表 4 。三维 图 1 0 复合加筋排水褥垫层加 固路堤边坡断面 ( 单位 ： m) 表 4土体模型 参数 r 0 0 2 0 1 0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 9 3 计算模型厚度方 向取 1 5 m， 土体以八 结点四面体单 元进行剖分 ， 共划分1 2 5 8 8 个单元 ， 1 6 5 4 0 个结点。 图 1 1为路 堤特 征 节 点无 量 纲 水 平 位 移 与强 度 折 减系数的关系曲线 。由图 1 1可见 ， 复合加筋排水褥垫 加 固路堤的边坡 安全系数 为 1 6 1 7 ； 而采用传统砂垫 层加固路堤的边坡 安全 系数 为 1 5 3 5 ， 边坡加 固后 的 安全系数提高了 5 3 ， 加筋效果 良好。 稔 O 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 - 3 1 4 1 5 I 6 折减系数 ( a )砂垫层堤 折减 系数 ( b ) 复合加筋排水褥垫堤 图 1 1 特征节点无量纲水平位移与强度 折减系数的关系 图 1 2为迭代计算不收敛时， 砂垫层路堤与复合加 筋排水褥垫路堤等效塑性应变分布 。由图 1 2可见 ， 迭 代计算不收敛时， 砂垫层路堤堤趾处有塑性集 中区出 现。设置复合加筋排水褥垫后 ， 加强 了路堤上部填土 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 相 应 的最危 险潜在 滑 动面 。 ( a ) 砂垫层 堤 ( b ) 复合加筋排水褥垫堤 图 1 2 迭代计算不收敛时等效塑性应变分布 5 复合加筋排水褥垫技术经济性分析 复合加筋排水褥垫技术与砂垫层的经济性通过具 体工况进行对比分析。上海北环高速公路软基处理采 用 堆 载预压 加 固方式 ， 水平 排 水垫 层 方案 一采 用 5 0 e m砂垫层 ， 方案二采用复合加筋排水褥垫层 ， 褥垫层 中间铺 素填土 ， 塑料排水板间距 1 5 m， 正方形布置。 根 据地 方造 价计算 ： 方案一 ： 5 0 e m厚砂垫层综合单价 ( 含运送 、 施工 ) 为 6 0元 m ； 方案二 ： 复合加筋排水褥垫 间距设计为 1 5 m 1 5 m= 2 2 5 m ， 控制面积 2 2 5 m 内褥垫长度为 1 5 +1 5= 3 m。复合加 筋排 水褥 垫综 合单 价为 1 6元 m， 则 2 2 5 m 内加筋 31 6=4 8元 ， 折合地面每平方米 为 4 82 2 5=2 1 3 3元 m 。5 0 c m 厚 素 土 综 合 单 价 ( 含 运送 、 施 工 ) 为 1 3元 m 。采 用 复合 加筋 排 水褥 垫 单 价为 3 4 3 3元 m 。 比较 上述 两方 案 ， 方案二 每 m 节 约 2 5 6 7元 。 6 结 论 1 ) 复 合 加 筋 排水 褥 垫 层 对 软 弱 地 基 有 较 强 的 适 应能力 ， 地基越软弱 ， 复合加筋排水褥垫层加筋效果越 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 土地基 有更 明显 的加 筋效果 。 2 ) 与砂垫层路堤相 比， 复合加筋排水褥垫路堤边 坡稳定性提高。 3 ) 与砂垫层比， 复合加筋排水褥垫可节省造价。 参 考 文 献 1 刘汉龙 ， 王保 田， 陈永辉 ， 等 复合加 筋排水褥垫 P 中国 ZL O 221 8 3 23 X 2 0 02 1 2 1 6 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 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 8 ) ： 2 3 0 2 2 3 0 7 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 ， 2 0 0 8 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 ， 2 0 0 6 ， 1 4 ( 1 ) ： 1 3 1 1 3 7 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 ， 2 0 0 1 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 ， 2 0 0 3 ( 责任审编葛全红)