理论与实践：土工织物加固软土地基工程中土体材料参数敏感性分析

作者：张毅

1  引  言

   软土地基由于在江河、海岸等水量较多的地区分布比较广泛，因其具有含水量高、透水性差、强度低、变形量大等特点，往往使软土地基的加固成为水利工程及岩土工程中的关键问题。随着工程建设水平的提高，软土地基的加固技术也在工程的诸多实践中得到了长足的发展。

软土地基加固旨在提高地基的抗剪强度的同时，降低土体的压缩量，以此保证地基上部工程的稳定性与安全性。就目前而言，国内外有关工程中所使用的软土地基加固处理方法种类较多。采用轻型材料置换软土地基，软弱地基预压排水、复合地基加筋处理以及土工合成材料加固技术是软土地基处理中较常用的几种方法。其中，土工织物在加固软土地基中，具有质量可靠、施工方便、效率高、造价低、对土的扰动小等优点，在软土地基的加固中具有广泛的应用。但是该种方法仅仅是在工程实践中得到经验的积累，在设计中尚缺乏有效的设计理论和计算方法的指导，因此亟需进行相关方面的探究。为此，本文以沿海区域某一软土地基上的典型堤坝断面为研究对象，采用有限元数值模拟的方法，对分步加载作用下软土地基上加有土工织物的堤坝的应力进行了分析。

2计算模型

2.1  网格划分及约束施加

    根据工程实际，该堤坝工程的典型断面中，堤顶宽度5m，堤坝高5m，堤坝坡度1:3，底部软土地基层的厚度大约为l0m。为了计算简便，本文采用二维数值计算的方法对土工织物加固的软土地基堤坝工程进行数值模拟，其模型尺寸与工程典型断面的尺寸一致，模型底部选取长40m厚l0m的矩形有限区域作为软土地基区域，其上部梯形区域为堤坝。该模型的网格划分及约束施加情况如图l所示。数值计算中，在模型的底部边界施加横向和竖向的固定约束，在模型的左侧及右侧边界施加横向固定约束以限制模型的横向变形，模型的竖直方向为自由约束。

2.2接触问题及施工过程的处理

    土工织物在该工程中布设于堤坝与软土地基之间接触的部位，在工程运行过程中通过土工织物与土体之间的接触作用来平衡地基的受力，同时限制土体的不均匀变形。为了很好地模拟这一真实情况，本文采用有限元软件中的接触面单元模拟土工织物与土体的接触作用。该种方法既能很好地反映土体与土工织物间的变形协调作用，也能很好地防止计算过程中土体与土工织物的分离。

该堤坝在堆积过程中，采用分步施工的方式自下而上逐层堆积。施工过程中，每一层土体的堆载均会导致下部土体产生一次新的竖向沉降和竖向应力。为了较好地反应这一工程实际，本文计算中采用分步加载的方式来真实地模拟堤坝的施工过程，同时在每步加载之后均进行一次数值计算，以此模拟分期施工过程中的土体沉降情况，土体共分五层填筑。

2.3  材料分区及参数设定

根据地质勘测资料，该工程的土体材料大致可以简化为三个部分，即下部基础区域、上部堤坝区域以及土工织物，土体及土工织物的材料参数如下页表所列。为了分析土工织物加固软土地基的适用情况，本文以加载后堤坝的安全系数为评价指标，对软土地基上覆堤坝的土体参数进行了敏感性分析。数值计算中，选取了堤坝土体的泊松比、弹性模量、黏聚力、摩擦角和土体重度等五个主要参数为影响因素，进行了不同条件下的数值计算。

3计算结果对比分析

3.1  分步加载过程中应力分析

通过数值计算，可以得到典型工况条件下堤坝在分步加载过程中地基的竖向应力分布等值线图（如图2所示），图中依次为土体分步加载后的竖向应力等值线图。由图中计算结果对比分析可知，五个分步加载后的地基竖向应力云图的分布型式基本一致，竖向应力均随着土层深度的增加而逐渐增大，且在模型的左侧下部位置应力值达到最大。随着上部堤坝填筑过程的持续，地基中的竖向应力值也随之增大，当堤坝填筑完毕时，地基中应力值达到峰值。同时可以看出，整个计算过程中土工织物与土体的变形协调一致，且并未出现分离的现象。

3.2  土体参数敏感度分析

为了对比分析堤坝中土体材料的土体参数对土工织物加固软基效果的影响，本文以加固后堤坝的安全系数为评价指标，通过控制变量的方法得到了土体中各材料参数变化时安全系数的变化关系曲线，如图3所示，图中分别对应的为堤坝安全系数随土体弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角和土体重度的变化关系曲线。由图中数据可以看出堤坝安全系数随参数的变化规律。

为了综合对比分析各个土体参数的影响性大小，对堤坝中各个土体参数的敏感性进行了分析。通过数据处理并结合参数的敏感度理论公式，可以得到各个参数的敏感度值分别为弹性模量0. 0174、泊松比0. 0298、黏聚力0.0016、摩擦角0.181和土体重度0. 6039，由此可知，参数重度值对安全系数的影响性较大，在工程设计中应主要考虑，参数摩擦角次之，参数泊松比、弹性模量和黏聚力影响性最弱，在工程设计中可以次要考虑。

4结论

本文利用有限元软件的数值计算方法，对土工织物加固的软土地基的堤坝进行了数值模拟，借助接触面单元模拟土体与织物的接触作用，得到了堤坝分期加载过程中地基中土体的竖向应力分布情况。在此基础上，以堤坝的安全系数为评价指标，对土体参数的敏感性进行了对比分析，结果表明参数土体重度的敏感度较大，参数摩擦角的敏感度次之，参数泊松比、弹性模量和黏聚力的敏感度相对较弱，这一计算结果可以为后期工程设计提供参考。

5【摘  要】 

 利用有限元软件对土工织物加固的堤坝进行了数值计算，以加固后堤坝的安全系数为主要评价指标，系统地分析了堤坝土体材料参数对织物加固效果的敏感性。结果表明，软土地基中土体的竖向应力值随着加载的持续逐渐增大；堤坝土体的重度对安全系数的影响较大，在工程设计中应主要考虑，参数摩擦角次之，参数泊松比、弹性模量和黏聚力影响性最弱，在工程设计中可以次要考虑。