袋装土平铺层数对路基沉降影响的数值模拟研究

李 伟，孙肇坤，赵 鑫，田大鹏，王挥云

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168；2.中铁十九局集团 矿业投资有限公司， 北京 100161；3.中冶沈勘工程技术有限公司， 辽宁 沈阳 110168)

土工袋由土工合成材料制作而成，砂土和软黏土等各类土都可作为填充物装入土工袋内，起到加固土体的效果。袋装土技术日益成熟，广泛应用于围海工程、路基工程等多个领域。文献[1-5]通过袋装土的加固原理及试验研究发现，袋装土具有较高的抗压强度、有效处理膨胀土、良好的减振隔振等特性，能够有效提高地基承载力和减小地基沉降变形。文献[6]针对袋装土具有制作简单，施工技术难度低等特点，结合国内外工程实例，认为在公路建设中具有广阔的应用前景。文献[7]介绍了土工袋技术在市政沟槽回填中的实际应用，根据现场观测数据表明，该技术优于传统的回填方法。Shin等[8]在实际工程现场进行袋装砂土填充试验研究，得出土工袋的变形形态与填充材料有着密切关系的结论。文献[9]通过试验结果，可知增加砂袋挡土墙的宽度和墙背比，能提高整体的稳定性。周荣官等[10]采用地质雷达探测手段，为填充袋筑堤技术提供新的思路。文献[11]从能量守恒的角度考虑，研究发现，在加卸载的不同方式下，土工袋和袋内材料的总耗能百分比呈“波浪形”增减趋势，当占总能量的75%以上时，消能效果较好。王淼[12]将离散元方法应用到土工袋模拟研究中，发现土工袋之间的侧压力系数对土工袋的形状不产生影响，并简化了侧压力系数和摩擦系数的计算，使土工袋技术应用理论更加完善。文献[13-15]介绍了袋装砂土地基处理加固技术，并进行室内试验，研究袋装砂土摆放形式和数量对地基加固的影响，研究结果可知，袋装砂土地基加固技术能够提高地基承载力，且对地下管道具有良好的保护效果。刘斯宏等[16]采用弹塑性有限元法，对土工袋加固后的软土地基承载力试验进行模拟，计算结果表明，数值模拟计算值与试验实测值非常接近，证明了该土工袋数值模拟方法的合理性。

基于以上研究成果，本文以武汉天河机场二通道S6标段K12+300路段的填土施工情况为例，建立无砂袋加固路基模型、4种不同层数平铺摆放的袋装土改良路基模型。通过分级回填施加荷载，将模拟计算结果与实测数据进行对比，验证土工袋加固技术应用于路基处理的可行性，确定最佳袋装土平铺层数。

1 袋装土有限元模型建立

1.1 模型方案

(1) 无加固处理方案：按照实际工程的路基处置方案，分层回填填土，建立数值模型，取各个回填阶段荷载-沉降变化曲线。将该曲线与现场监测数据拟合对比，验证模型建立与参数选取合理性。

(2) 袋装土加固处理方案：在验证模型与参数选取合理性的基础上，在初始条件和边界条件不变情况下，将处理路基与土工袋加固路基进行对比，说明土工袋加固技术对提高路基承载力与控制不均匀沉降方面的效果。

1.2 参数选取

本文模拟过程地层均采用摩尔-库仑本构模型。计算需要的力学参数由室内试验和勘察资料及相关理论推导得到，如表1和表2所示。

表1 土层参数

表2 接触面力学参数

接触面(土工袋)参数中法向刚度Kn和剪切刚度Ks取周围最硬相邻区域等效刚度的10倍，即：

(1)

式中:K是体积模量；G是剪切模量；ΔZmin是接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。

根据文献[17-18]整理简化得到土袋粘聚力为：

(2)

Kp=tan2(45°+φ/2)

(3)

(4)

C土袋=c+CT

(5)

式中：T为土工袋张力，kN/m；C土袋为土工袋黏聚力，kPa；c为土体黏聚力，kPa；Kp为被动土压力系数，与袋内土体摩擦角有关；φ为袋内土体摩擦角；H为装土后土工袋高度，m；L为装土后土工袋长度，m；CT装土后土工袋附加黏聚力，kPa。

1.3 建立模型

本文所用工程实例选自《机场二通道服务区高填土路基沉降预测研究》[19]。运用FLAC3D软件对K12+300断面建立模型。K12+300断面地基宽度为326 m，填土路堤填高8.6 m，顶、底面宽度分别为200 m和226 m，分层填土高度30 cm。根据钻探结果，地表以下15 m左右见基岩，取黏土地基计算总深度为15 m，每三层填土建立一次模型。填高分别为0.9 m、1.8 m、2.7 m、3.6 m、4.5 m、5.4 m、6.3 m、7.2 m、8.1 m和8.6 m。路基地层分布从上到下依次为：种植土(0～2 m)、含砾土(2 m～5 m)、硬黏土(5 m～13 m)、软黏土(13 m～15 m)。K12+300断面如图1所示。

图1 K12+300断面示意图(单位：m)

建模计算时，因模型中路基和地基断面的对称性，可取实际工程二分之一进行简化，将路基土层及路面填料分成不同组，即路面填料、种植土、含砾土、硬黏土和软黏土。模型共生成400个单元体，672个网格节点。平铺10层时，换填1.5 m厚种植土，用土工袋灌装原土样回填，平铺20层时，换填1.5 m厚种植土、1.5 m厚含砾土，用土工袋灌装土样回填，平铺30层时，换填1.5 m厚种植土、3 m厚含砾土，用土工袋灌装土样回填，平铺40层时，换填1.5 m厚种植土、3 m厚含砾土、1.5 m硬黏土，用土工袋灌装土样回填，每次回填都在袋装土表面平铺50 cm厚原种植土，使路基表面平整。如图2所示。

图2 填土路基模型图(单位：m)

1.4 施工回填阶段模拟

本文选取武汉天河机场二通道S6标合同段中的K12+300断面，通过全年的现场观测，整理得到K12+300断面路基中心点沉降-时间曲线，如图3所示。

图3 K12+300断面路基中心点累计沉降-时间曲线图

根据以上信息，综合数值模拟方法，模拟计算时采用逐级加载方式。一方面，可以计算施工各个阶段的应力应变，找到其中规律；另一方面，通过逐级加载得到土体内部应力应变随填土高度增加的变化规律。路基回填施工阶段模拟过程为：0.9 m、1.8 m、2.7 m、3.6 m、4.5 m、5.4 m、6.3 m、7.2 m、8.1 m、8.6 m顺序分层激活，共10次回填完成，每次回填均进行计算并整理结果。

2 模拟计算结果与分析

2.1 模型合理性论证

根据现场勘查资料及室内土工试验参数，通过数值模拟计算，将模拟计算值与K12+300断面路基填土实测值进行比较，如图4所示。

图4 模拟与实测对比沉降曲线

在模拟计算中假设地基土为饱和土，忽视填土孔隙水压力和地下水位影响，同时，模型设置、参数选取、初始条件与边界条件选择不可能完全接近实际工程。由图4可知，路基实测沉降量和模拟沉降值随着回填土高度的增加而增大，且模拟计算值接近于实际观测值，当填筑高度达到最大时，模拟值和实测值基本一致，计算结果拟合度较高。因此，验证了参数选取、初始边界条件设置的合理性。

2.2 土工袋技术有效性论证

2.2.1 模拟路基中心和坡脚沉降结果分析

为验证土工袋技术在控制路基不均匀沉降和提高路基承载力方面的有效性，在原模型基础上分别平铺0层、10层、20层、30层和40层袋装土。经过对云图计算结果的整理，得到各级回填土下不同方案的路基沉降量与袋装土层数变化关系曲线，部分方案如图5所示。

由图5可知，在分级回填的情况下，随着上部荷载的增大，路基的最大和最终沉降量均明显增加，这说明上部荷载对地基沉降量的影响较为突出。由图5(a)—图5(f)可知，经过袋装土加固处理过的路基，无论是最大或最终沉降量均远小于未处理过的路基，这说明土工袋加固技术可以有效加固处理路基，可以明显减小地基沉降量。进一步分析可知，随着袋装土层数的增加，路基沉降量逐渐减小，路基承载力得到有效提升，当平铺层数接近至40层时，路基沉降量与层数关系曲线趋于平缓，且路基最大沉降量和最终沉降量均达到最小值; 分析回填8.1 m和8.6 m沉降量与层数关系时发现，不同回填高度下，平铺层数为40层时对应的最大和最终沉降量几乎一致，故继续增加平铺层数会增加地基沉降量，因此平铺层数为40层时的袋装土加固方案最佳。

图5 各级回填时各处理方案沉降曲线(单位：mm)

为了更加清晰说明土工袋技术对提高路基承载力，减少路基沉降方面的作用，经过对各个处理方案下的计算结果整理，分别得到P-S1曲线(路基中心处荷载-沉降曲线)与P-S2曲线(路基坡脚处荷载-沉降曲线)如图6所示。

从图6可知，在相同荷载作用下，无论是路基中心还是坡脚位置的沉降，未处理路基的沉降量均为最大值。这也说明，路基未进行处理时，在上部回填土荷载作用下，路基的不均匀沉降及总体沉降均大于袋装土处理后的复合路基。这一点可以从土工袋力学性能来解释，相比于松散土体易发生受拉屈服破坏的特点，土工袋因自身具有较高的抗拉强度，能将抗拉材料与松散土体结合为整体受力部件，通过两者之间的接触产生摩擦作用，将土体中受到的上部填土荷载向外扩散，能够有效增加土体的弹性模量。根据摩尔-库仑本构理论，弹性模量的增加必伴随应变(变形)减小。土体中的拉应力在土工袋中传递时，能起到限制袋中土体侧向变形得作用，从而在整体上提高土体抗剪与抗拉强度。

图6 各处理方案下沉降曲线

2.2.2 模拟路基断面沉降结果分析

为进一步说明土工袋技术应用到路基处理方面的可行性，能够有效地控制路基的总体沉降，同时减小不均匀沉降，根据模拟数据绘制出无处理、平铺10层、平铺20层、平铺30层和平铺40层各级回填后的路基断面沉降曲线，通过分析路基断面沉降曲线可知，采用土工袋技术处理的路基可以大幅度提高路基承载力，路基土体的模量不仅得到提升，且路基的整体稳定性还有所加强，使路基在承受相同荷载作用下能减小路面沉降。以最后一级回填为例，最大沉降值由225.88 mm(无处理)减小至108.11 mm(平铺40层)，降幅52%；路基不均匀差值由165.93 mm(无处理)减小至76.26 mm(平铺40层)，降幅54%；同时地基水平位移由56.52 mm(无处理)减小至27.38 mm(平铺40层)，降幅51.55%。

2.2.3 模拟路基水平位移结果分析

水平位移方面，根据自编Fish程序将模拟计算时路基中最大沉降值进行记录，以便后期数据处理。将记录得到数据整理如图7所示。由图7可知，各平铺方案路基与未处理路基相比，发生在坡脚以下深处的水平位移均有所减小。从力学性能上来说，由于砂袋间存在的摩擦作用，能够抵消土体间产生的水平张力，阻止砂袋在水平方向上有限滑动，达到减小水平位移的效果。采用土工袋技术将道路路基中部分土体挖出、换填，使得土体-土工袋组合体形成柔性的“硬壳体”，其本身具有较大的压缩强度，在提高路基承载能力和有效限制土体侧向变形方面均发挥巨大作用。

图7 各处理方案下路基最大水平位移曲线

综上所述，在各平铺方案中，随着袋装土层数增加，路基沉降及水平位移都有所下降。最后一级回填时，最大沉降值由134.1 mm(平铺10层)减小至108.11 mm(平铺40层)，降幅19.38%；沉降差值由102.72 mm(平铺10层)减小至76.26 mm(平铺40层)，降幅25.76%；最大水平位移由30.17 mm(平铺10层)减小至27.38 mm(平铺40层)，降幅9.25%。相比于未处理路基，所有袋装土平铺方案均能减小总体及不均匀沉降，其中平铺40层时效果最显著，由此可以论证土工袋技术在该工程中作为路基处理手段是有效可行的；在各个平铺袋装土方案中可以看到，随着袋装土层数增加，路基总体沉降和不均匀沉降逐渐减小，这也符合相同受力条件下，应变随材料强度增加而减小的力学规律，但沉降量减小幅度不大，均在6%～7%之间。

3 结 论

本文以武汉天河机场第二公路S6标段工程为研究背景，依照路基处理施工中的各项参数指标和监测数据，运用FLAC3D软件建立有无袋装土加固路基处理的数值模型。模拟袋装土在不同平铺层数的条件下，路基发生的沉降变形情况。研究袋装土对路基不均匀沉降及承载力的影响，现得到以下结论：

(1) 运用土工袋加固技术处理后的路基，其沉降变形、不均匀沉降量均明显小于未处理的路基，说明土工袋加固技术在路基加固处理应用中是完全可行的。

(2) 采用土工袋技术加固路基不仅可有效提高路基承载力，还可使路基沉降分布更加均匀合理。

(3) 根据二维有限元袋装土路基模型的计算结果表明，随着袋装土平铺层数的增加，路基不均匀沉降和路基总体沉降程度会越来越小。依据武汉天河机场二通道S6标段K12+300断面结构尺寸，袋装土平铺40层的效果要优于其他平铺层数。