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)

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[1]，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[2]: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。

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。

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 ①条状塑料褥垫;②针刺无纺布;③连接槽;④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 mm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[3]。

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。

图3 条状排水褥垫断面形式

表1 SMJ150×50－2D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

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[3]。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[4]，路堤高度 5 m，坡比 1∶1.5，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10 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[4]。施工过程路堤分5次加载，每层厚度为1 m，在30 d内填筑，间歇期为30 d，工后计算固结时间为500 d。

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

土体模型采用D－P模型，参数见表2[4]。排水板渗透系数1.99 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。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15 cm×5 cm的中空矩形塑料盲沟(SMJ150×50－2D)。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[3]。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 i取1%，排水褥垫取等效渗透系数为6.24 m/s。排水褥垫的计算参数见表 3[3]。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(C3D8RP)进行剖分，上部填土以八结点四面体减缩积分单元(C3D8R)进行剖分，共划分11 088个单元，13 741个结点。复合加筋排水褥垫层模型如图6所示。

表3 复合加筋排水褥垫材料性能

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 MPa、1 MPa和1.5 MPa，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。

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770 d)，软基模量分别为 0.5 MPa、1 MPa和 1.5 MPa，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24.2%，14.6%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

图8 填土高度与复合加筋排水褥垫层加筋效果的关系

图9 软土层厚度与复合加筋排水褥垫层加筋效果的关系

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、10 m和20 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%、14.6%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10 m)和深厚软土地基(软土厚20 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10[5]，土体选用 Mohr－Coulomb模型，计算参数见表4。三维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12 588个单元，16 540个结点。

图10 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

图11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11可见，复合加筋排水褥垫加固路堤的边坡安全系数为1.617;而采用传统砂垫层加固路堤的边坡安全系数为1.535，边坡加固后的安全系数提高了5.3%，加筋效果良好。

图11 特征节点无量纲水平位移与强度折减系数的关系

图12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12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。

图12 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[6]，水平排水垫层方案一采用50 cm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:

方案一:50 cm厚砂垫层综合单价(含运送、施工)为60元/m2;

方案二:复合加筋排水褥垫间距设计为1.5 m×1.5 m=2.25 m2，控制面积2.25 m2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16元/m，则2.25 m2内加筋3×16=48元，折合地面每平方米为48÷2.25=21.33元/m2。50 cm厚素土综合单价(含运送、施工)为13元/m2。采用复合加筋排水褥垫单价为34.33元/m2。

比较上述两方案，方案二每m2节约25.67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。

[1] 刘汉龙，王保田，陈永辉，等.复合加筋排水褥垫［P］.中国.ZL02218323.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.

[5] 河海大学岩土工程研究所.真空－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.