李 偉，孫肇坤，趙 鑫，田大鵬，王揮云

(1.沈陽建筑大學 土木工程學院， 遼寧 沈陽 110168；2.中鐵十九局集團 礦業(yè)投資有限公司， 北京 100161；3.中冶沈勘工程技術有限公司， 遼寧 沈陽 110168)

土工袋由土工合成材料制作而成，砂土和軟黏土等各類土都可作為填充物裝入土工袋內，起到加固土體的效果。袋裝土技術日益成熟，廣泛應用于圍海工程、路基工程等多個領域。文獻[1-5]通過袋裝土的加固原理及試驗研究發(fā)現(xiàn)，袋裝土具有較高的抗壓強度、有效處理膨脹土、良好的減振隔振等特性，能夠有效提高地基承載力和減小地基沉降變形。文獻[6]針對袋裝土具有制作簡單，施工技術難度低等特點，結合國內外工程實例，認為在公路建設中具有廣闊的應用前景。文獻[7]介紹了土工袋技術在市政溝槽回填中的實際應用，根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，該技術優(yōu)于傳統(tǒng)的回填方法。Shin等[8]在實際工程現(xiàn)場進行袋裝砂土填充試驗研究，得出土工袋的變形形態(tài)與填充材料有著密切關系的結論。文獻[9]通過試驗結果，可知增加砂袋擋土墻的寬度和墻背比，能提高整體的穩(wěn)定性。周榮官等[10]采用地質雷達探測手段，為填充袋筑堤技術提供新的思路。文獻[11]從能量守恒的角度考慮，研究發(fā)現(xiàn)，在加卸載的不同方式下，土工袋和袋內材料的總耗能百分比呈“波浪形”增減趨勢，當占總能量的75%以上時，消能效果較好。王淼[12]將離散元方法應用到土工袋模擬研究中，發(fā)現(xiàn)土工袋之間的側壓力系數(shù)對土工袋的形狀不產生影響，并簡化了側壓力系數(shù)和摩擦系數(shù)的計算，使土工袋技術應用理論更加完善。文獻[13-15]介紹了袋裝砂土地基處理加固技術，并進行室內試驗，研究袋裝砂土擺放形式和數(shù)量對地基加固的影響，研究結果可知，袋裝砂土地基加固技術能夠提高地基承載力，且對地下管道具有良好的保護效果。劉斯宏等[16]采用彈塑性有限元法，對土工袋加固后的軟土地基承載力試驗進行模擬，計算結果表明，數(shù)值模擬計算值與試驗實測值非常接近，證明了該土工袋數(shù)值模擬方法的合理性。

基于以上研究成果，本文以武漢天河機場二通道S6標段K12+300路段的填土施工情況為例，建立無砂袋加固路基模型、4種不同層數(shù)平鋪擺放的袋裝土改良路基模型。通過分級回填施加荷載，將模擬計算結果與實測數(shù)據(jù)進行對比，驗證土工袋加固技術應用于路基處理的可行性，確定最佳袋裝土平鋪層數(shù)。

1 袋裝土有限元模型建立

1.1 模型方案

(1) 無加固處理方案：按照實際工程的路基處置方案，分層回填填土，建立數(shù)值模型，取各個回填階段荷載-沉降變化曲線。將該曲線與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合對比，驗證模型建立與參數(shù)選取合理性。

(2) 袋裝土加固處理方案：在驗證模型與參數(shù)選取合理性的基礎上，在初始條件和邊界條件不變情況下，將處理路基與土工袋加固路基進行對比，說明土工袋加固技術對提高路基承載力與控制不均勻沉降方面的效果。

1.2 參數(shù)選取

本文模擬過程地層均采用摩爾-庫侖本構模型。計算需要的力學參數(shù)由室內試驗和勘察資料及相關理論推導得到，如表1和表2所示。

表1 土層參數(shù)

表2 接觸面力學參數(shù)

接觸面(土工袋)參數(shù)中法向剛度Kn和剪切剛度Ks取周圍最硬相鄰區(qū)域等效剛度的10倍，即：

(1)

式中:K是體積模量；G是剪切模量；ΔZmin是接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸。

根據(jù)文獻[17-18]整理簡化得到土袋粘聚力為：

(2)

Kp=tan2(45°+φ/2)

(3)

(4)

C土袋=c+CT

(5)

式中：T為土工袋張力，kN/m；C土袋為土工袋黏聚力，kPa；c為土體黏聚力，kPa；Kp為被動土壓力系數(shù)，與袋內土體摩擦角有關；φ為袋內土體摩擦角；H為裝土后土工袋高度，m；L為裝土后土工袋長度，m；CT裝土后土工袋附加黏聚力，kPa。

1.3 建立模型

本文所用工程實例選自《機場二通道服務區(qū)高填土路基沉降預測研究》[19]。運用FLAC3D軟件對K12+300斷面建立模型。K12+300斷面地基寬度為326 m，填土路堤填高8.6 m，頂、底面寬度分別為200 m和226 m，分層填土高度30 cm。根據(jù)鉆探結果，地表以下15 m左右見基巖，取黏土地基計算總深度為15 m，每三層填土建立一次模型。填高分別為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。路基地層分布從上到下依次為：種植土(0～2 m)、含礫土(2 m～5 m)、硬黏土(5 m～13 m)、軟黏土(13 m～15 m)。K12+300斷面如圖1所示。

圖1 K12+300斷面示意圖(單位：m)

建模計算時，因模型中路基和地基斷面的對稱性，可取實際工程二分之一進行簡化，將路基土層及路面填料分成不同組，即路面填料、種植土、含礫土、硬黏土和軟黏土。模型共生成400個單元體，672個網格節(jié)點。平鋪10層時，換填1.5 m厚種植土，用土工袋灌裝原土樣回填，平鋪20層時，換填1.5 m厚種植土、1.5 m厚含礫土，用土工袋灌裝土樣回填，平鋪30層時，換填1.5 m厚種植土、3 m厚含礫土，用土工袋灌裝土樣回填，平鋪40層時，換填1.5 m厚種植土、3 m厚含礫土、1.5 m硬黏土，用土工袋灌裝土樣回填，每次回填都在袋裝土表面平鋪50 cm厚原種植土，使路基表面平整。如圖2所示。

圖2 填土路基模型圖(單位：m)

1.4 施工回填階段模擬

本文選取武漢天河機場二通道S6標合同段中的K12+300斷面，通過全年的現(xiàn)場觀測，整理得到K12+300斷面路基中心點沉降-時間曲線，如圖3所示。

圖3 K12+300斷面路基中心點累計沉降-時間曲線圖

根據(jù)以上信息，綜合數(shù)值模擬方法，模擬計算時采用逐級加載方式。一方面，可以計算施工各個階段的應力應變，找到其中規(guī)律；另一方面，通過逐級加載得到土體內部應力應變隨填土高度增加的變化規(guī)律。路基回填施工階段模擬過程為：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順序分層激活，共10次回填完成，每次回填均進行計算并整理結果。

2 模擬計算結果與分析

2.1 模型合理性論證

根據(jù)現(xiàn)場勘查資料及室內土工試驗參數(shù)，通過數(shù)值模擬計算，將模擬計算值與K12+300斷面路基填土實測值進行比較，如圖4所示。

圖4 模擬與實測對比沉降曲線

在模擬計算中假設地基土為飽和土，忽視填土孔隙水壓力和地下水位影響，同時，模型設置、參數(shù)選取、初始條件與邊界條件選擇不可能完全接近實際工程。由圖4可知，路基實測沉降量和模擬沉降值隨著回填土高度的增加而增大，且模擬計算值接近于實際觀測值，當填筑高度達到最大時，模擬值和實測值基本一致，計算結果擬合度較高。因此，驗證了參數(shù)選取、初始邊界條件設置的合理性。

2.2 土工袋技術有效性論證

2.2.1 模擬路基中心和坡腳沉降結果分析

為驗證土工袋技術在控制路基不均勻沉降和提高路基承載力方面的有效性，在原模型基礎上分別平鋪0層、10層、20層、30層和40層袋裝土。經過對云圖計算結果的整理，得到各級回填土下不同方案的路基沉降量與袋裝土層數(shù)變化關系曲線，部分方案如圖5所示。

由圖5可知，在分級回填的情況下，隨著上部荷載的增大，路基的最大和最終沉降量均明顯增加，這說明上部荷載對地基沉降量的影響較為突出。由圖5(a)—圖5(f)可知，經過袋裝土加固處理過的路基，無論是最大或最終沉降量均遠小于未處理過的路基，這說明土工袋加固技術可以有效加固處理路基，可以明顯減小地基沉降量。進一步分析可知，隨著袋裝土層數(shù)的增加，路基沉降量逐漸減小，路基承載力得到有效提升，當平鋪層數(shù)接近至40層時，路基沉降量與層數(shù)關系曲線趨于平緩，且路基最大沉降量和最終沉降量均達到最小值; 分析回填8.1 m和8.6 m沉降量與層數(shù)關系時發(fā)現(xiàn)，不同回填高度下，平鋪層數(shù)為40層時對應的最大和最終沉降量幾乎一致，故繼續(xù)增加平鋪層數(shù)會增加地基沉降量，因此平鋪層數(shù)為40層時的袋裝土加固方案最佳。

圖5 各級回填時各處理方案沉降曲線(單位：mm)

為了更加清晰說明土工袋技術對提高路基承載力，減少路基沉降方面的作用，經過對各個處理方案下的計算結果整理，分別得到P-S1曲線(路基中心處荷載-沉降曲線)與P-S2曲線(路基坡腳處荷載-沉降曲線)如圖6所示。

從圖6可知，在相同荷載作用下，無論是路基中心還是坡腳位置的沉降，未處理路基的沉降量均為最大值。這也說明，路基未進行處理時，在上部回填土荷載作用下，路基的不均勻沉降及總體沉降均大于袋裝土處理后的復合路基。這一點可以從土工袋力學性能來解釋，相比于松散土體易發(fā)生受拉屈服破壞的特點，土工袋因自身具有較高的抗拉強度，能將抗拉材料與松散土體結合為整體受力部件，通過兩者之間的接觸產生摩擦作用，將土體中受到的上部填土荷載向外擴散，能夠有效增加土體的彈性模量。根據(jù)摩爾-庫侖本構理論，彈性模量的增加必伴隨應變(變形)減小。土體中的拉應力在土工袋中傳遞時，能起到限制袋中土體側向變形得作用，從而在整體上提高土體抗剪與抗拉強度。

圖6 各處理方案下沉降曲線

2.2.2 模擬路基斷面沉降結果分析

為進一步說明土工袋技術應用到路基處理方面的可行性，能夠有效地控制路基的總體沉降，同時減小不均勻沉降，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)繪制出無處理、平鋪10層、平鋪20層、平鋪30層和平鋪40層各級回填后的路基斷面沉降曲線，通過分析路基斷面沉降曲線可知，采用土工袋技術處理的路基可以大幅度提高路基承載力，路基土體的模量不僅得到提升，且路基的整體穩(wěn)定性還有所加強，使路基在承受相同荷載作用下能減小路面沉降。以最后一級回填為例，最大沉降值由225.88 mm(無處理)減小至108.11 mm(平鋪40層)，降幅52%；路基不均勻差值由165.93 mm(無處理)減小至76.26 mm(平鋪40層)，降幅54%；同時地基水平位移由56.52 mm(無處理)減小至27.38 mm(平鋪40層)，降幅51.55%。

2.2.3 模擬路基水平位移結果分析

水平位移方面，根據(jù)自編Fish程序將模擬計算時路基中最大沉降值進行記錄，以便后期數(shù)據(jù)處理。將記錄得到數(shù)據(jù)整理如圖7所示。由圖7可知，各平鋪方案路基與未處理路基相比，發(fā)生在坡腳以下深處的水平位移均有所減小。從力學性能上來說，由于砂袋間存在的摩擦作用，能夠抵消土體間產生的水平張力，阻止砂袋在水平方向上有限滑動，達到減小水平位移的效果。采用土工袋技術將道路路基中部分土體挖出、換填，使得土體-土工袋組合體形成柔性的“硬殼體”，其本身具有較大的壓縮強度，在提高路基承載能力和有效限制土體側向變形方面均發(fā)揮巨大作用。

圖7 各處理方案下路基最大水平位移曲線

綜上所述，在各平鋪方案中，隨著袋裝土層數(shù)增加，路基沉降及水平位移都有所下降。最后一級回填時，最大沉降值由134.1 mm(平鋪10層)減小至108.11 mm(平鋪40層)，降幅19.38%；沉降差值由102.72 mm(平鋪10層)減小至76.26 mm(平鋪40層)，降幅25.76%；最大水平位移由30.17 mm(平鋪10層)減小至27.38 mm(平鋪40層)，降幅9.25%。相比于未處理路基，所有袋裝土平鋪方案均能減小總體及不均勻沉降，其中平鋪40層時效果最顯著，由此可以論證土工袋技術在該工程中作為路基處理手段是有效可行的；在各個平鋪袋裝土方案中可以看到，隨著袋裝土層數(shù)增加，路基總體沉降和不均勻沉降逐漸減小，這也符合相同受力條件下，應變隨材料強度增加而減小的力學規(guī)律，但沉降量減小幅度不大，均在6%～7%之間。

3 結 論

本文以武漢天河機場第二公路S6標段工程為研究背景，依照路基處理施工中的各項參數(shù)指標和監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用FLAC3D軟件建立有無袋裝土加固路基處理的數(shù)值模型。模擬袋裝土在不同平鋪層數(shù)的條件下，路基發(fā)生的沉降變形情況。研究袋裝土對路基不均勻沉降及承載力的影響，現(xiàn)得到以下結論：

(1) 運用土工袋加固技術處理后的路基，其沉降變形、不均勻沉降量均明顯小于未處理的路基，說明土工袋加固技術在路基加固處理應用中是完全可行的。

(2) 采用土工袋技術加固路基不僅可有效提高路基承載力，還可使路基沉降分布更加均勻合理。

(3) 根據(jù)二維有限元袋裝土路基模型的計算結果表明，隨著袋裝土平鋪層數(shù)的增加，路基不均勻沉降和路基總體沉降程度會越來越小。依據(jù)武漢天河機場二通道S6標段K12+300斷面結構尺寸，袋裝土平鋪40層的效果要優(yōu)于其他平鋪層數(shù)。