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土工格栅加筋挡土墙的预制垂直排水管在多层软土上的排水性能
Jian-Feng Chen , Ali Tolooiyan , Jian-Feng Xue , ,Zhen-Ming Shi
摘要：
土工格栅加筋挡土墙是在中国上海发明出的一种以改进的预制垂直排水管（PVD）为基础，在多层软土路堤边缘的挡墙。在最终加载阶段的一天之后，观测到路基边坡表面有小裂缝的地方有弧形沉降，并且观测到安装在PVD改进区域的测压管里孔隙水压力的突然增加。进行三维有限元分析比较了有PVD功能与功能失调的墙体的性能，通过这种比较能得出一种假设，PVD可能在施工中由于弯曲或排水板的扭结引起的地面沉降与侧向运动而失效。分析结果表明，墙趾的运动对横向的位置是非常敏感的。因此应注意使用墙趾运动作为墙体稳定性的一项指示。这表明，失败主要发生在路堤的肩部，而不是整个墙体之间。对于完整滑块的发展，抽出或拉伸破坏，都可能发生在边坡加固的地方。由于观测到地面上的不均匀沉降，大应力可以在横跨路堤的方向上产生土工格栅。鉴于此，如果压力太高则应考虑双向土工格栅，并将土工格栅环绕在边坡上可能有助于提高墙体的整体性和稳定性。
关键词：
土工合成材料，三维有限元分析，土工格栅加筋墙，PVD失效，涂抹效果。
- 引言
世界上有很大一部分人生活在沿海地区或河渠周围，这些地区的快速城市化往往需要在软土或复垦土地上建设活动。而土地和时间的可用性建设都是有限的，例如垂直排水管。塑料排水板、砂芯或石柱常安装在地面上来加速固结过程和提高土体强度，然后在更深的深度内结合真空预压或超载堤(Rujikiatkamjorn et al., 2008; Huang and Han,2009)。有时，土工格栅或土工合成强化要求建造路堤或挡墙，如果大于土壤的自然安息角的话，例如挡墙和桥台(Tatsuoka et al., 1997; Bloomfield et al., 2001; Yoo and Jung, 2004; Yoo and Kim, 2008; Tolooiyan et al., 2009)。由于时间和成本的效益，结合使用土工格栅加筋挡土墙/路堤PVD排水的土壤变得越来越普遍（Chen et al., 2014）。
人们利用不同的土壤，不同的方法对土工格栅加筋土结构的性能做了大量的研究，如原型试验(Bergado et al., 1994; Tanchaisawat et al.,2008)，离心试验(Chen and Yu, 2011; Chen et al., 2011;Mohamed et al., 2014)，和二维数值模拟(2D)与三维数值模拟(3D)(Tanchaisawat et al., 2009;Zhang et al., 2013; Rowe and Liu, 2015; Gao et al., 2014)。另一方面，许多研究人员对软土地基上PVD排水的物理模拟和数值模拟的性能进行了大量的研究(Indraratna et al., 2011; Borges et al., 2004)。还有几次尝试是关于PVD在软土地基上排水模型 (Rujikiatkamjorn
et al., 2008; Borges et al., 2004; Lin and Chang, 2009; Venda Oliveira et al., 2015)，和有加筋路堤的软基上的PVD排水模型 (Bergado and Teerawattanasuk, 2008)。Xu and Chai (2014)总结了18路堤上PVD改进软土地基的性能并且发现有较大的横向位移会在地面上延伸。然而对于土工格栅加筋结构的PVD排水处理软土地基的研究有限，甚至少于对土工格栅加筋结构的PVD排水处理多层软土的研究。目前大多数此类结构的数值研究都是在二维平面应变条件下，可适用于长路堤的横截面，但是对于路堤端部，三维的效果是很重要的，平面应变分析会导致明显的错误(Qu et al., 2009; Walker,2011)。对于像土工格栅加筋桥台或处理软基的PVD排水挡墙这种结构，做一个完整的三维模拟是不容易的，部分原因是因为啮合复杂几何的困难，还有就是将土壤的构成方式与排水板的涂抹作用模型化的困难。
本文分析了一个加筋土挡墙的失败案例，那就是PVD软土排水使用耦合液压和地质三维有限元模型(FEM)。在上海植物园的一条530米长的路堤上建造了7.6米高的土工格栅加筋挡土墙，其使用阶段的施工方法如图1(Fig.1)。观察到在最后加载阶段，路基表面钢筋的末端有弧形沉降(Fig.2)，随后在墙趾有一个突然的大位移。挡墙是用孔隙水压力计和沉降板测量的。墙的特性是采用PLAXIS 3D 2013有限元程序研究的。特别注意的是墙体的破坏机理，超孔隙水压力的变化与土壤的等效渗透率排水区，土工格栅的墙体变形和应力分布。
- 项目概况
临时的土工格栅加筋墙位于中国上海植物园，在一个530米长的道路路基的末端。该位置布满了31米厚的软土，在6.3米厚的硬粉质粘土与硬粉砂的下面(Fig.2)。各层的厚度和土壤的性质见表1。地下水位在地面以下0.5米。
粉质粘土出土的最上面一层是用来建造一个1.6米厚的预先填充层来补偿由于墙体重量造成的沉淀。为了达到排水目的，在填充层顶部铺设了0.6米后的砂垫层。排水板被安装在一个三角形图案的砂垫层的12米厚以下，与中心距离1.5米。构建垂直表面墙，10米长有14层的高密度聚乙烯(HDPE)单轴土工格栅作为3.5米长的绕截面配筋。土工格栅在应变为5%，抗拉强度为70kN/m时纵向的轴向刚度为620kN/m。土墙是由顶层挖出的粉质粘土构成，该粘土经过15吨的静态双滚筒压路机和一个轻量级的滚筒（墙面内1.5米的范围）压实，其压实密度为19kN/m3。横截面的布局如图3(Fig.3)。墙的施工阶段如表二(Table.2)。将两块沉降板安装在初始地面4米(C1)，墙后20米(C2)处的地方来监测地面沉降和超孔隙水压力的消散。木材的目标是安装在墙趾前0.5米(D1)，两排孔隙水压力计安装在离墙面2米(P1)和18米(P2)的地方，深度为2.6m，7m，10.6m，18m和24.5m，也就是P1-1到P1-5和P2-1到P2-5。
在施工过程中，例如118天，即使期间没有明显的降雨(四月末，2008)，还是观察到孔隙水压力计内突然增加的孔隙水压力，在PVD排水区2.6米到7米深以内的地方，如图4所示，然后在放置期间，超孔隙水压力消散率逐渐降低。在第190天(2008年7月13日)也就是在最后一层土壤被放置的第二天，观测到墙体和墙趾的突然下沉(图5)，其次是路基表面上钢筋末端的弧形裂纹，如图2所示。边坡上没有看到明显的大变形，因此墙的两边保持相对“稳定”。图五显示了118天内观测到的大量沉降(墙下400mm到500mm，C1和C2)和水平运动(在墙趾方向200mm)。
Chu等人建议地面上这样大的变形可能导致排水管的弯曲(2006)。Xue等人分析了平面应变条件下的墙壁(2014)，发现第118天在PVD排水区孔隙水压力的突然增加和墙体的滑动是由排水管的局部故障而引起的。他们使用二维有限元分析发现，一般的剪切破坏发生在墙上。这不能完全解释弧形的破坏机理，即没有明显地观测到路堤表面边坡的不稳定。为了更好的了解墙体的性能，那么三维仿真就是必需的了。
研究人员利用三维极限平衡(LEM)和三维有限元(FEM)的方法研究了边坡的稳定性，并以此来考虑维度的影响(Auvinet and Gonzalez, 2000; Arellano and Stark, 2000; Gao et al., 2013)。Zhang等人研究了土工合成材料加筋土坡稳定性的三维效果，并提出了一套考虑增加强度的设计图。本文对边坡的研究是建立在多层土层与在地面安装排水板加速固结过程的基础上。因为排水板的作用不能简单地用极限平衡法考虑，所以土体强度的增加是由于固结与地面水压力的变化引起的(Chen et al., 2014a,b)。因此，三维有限元法是研究墙体的性能来考虑排水板可能失效的原因。
- PVD排水机制与涂抹作用
有许多理论分析由PVD改进的土壤里水的运动(Rixner et al., 1986; Indraratna et al., 2005)。在大多数的模型中，带状的PVD(厚度为a，宽度为b)是理想化的一个直径为的等效圆排水，其直径可由Hansbo (1979)提出的公式计算出。转换后，可以用Carillo (1942)提出的径向固结理论分析土壤的固结。
很多因素会影响PVD改进土的固结性能。其中，最重要的一项是排水板的安装引起的涂抹效应导致涂抹区水平渗透率的减少，它的直径是受土壤性质，所使用的轴和安装方法的影响。Hansbo (1981)提出了下列方程来分析由排水板改善过的土壤的固结：
（1）
（2）
（3）
这里的是固结度；是土壤的水平渗透率；是在涂抹区土壤的水平渗透率；是深度；是排水的长度；是排水的通水能力；是土壤的水平固结系数；是排水土柱的等效直径；对于一个三角形模式的排水装置，排水管之间的间距为1.5m，等效排水直径是间距的1.05倍，即。
方程（2）表面，固结速率是受通水能力的影响，它反映了良好的阻水作用。在方程（2）的最后一项可看出，若通水能力很高，或许可以忽略阻水作用。
在上述方程中，，和是其中一些最有争议的需要确定的参数。有许多关于涂抹区和土壤渗透性区域的面积的研究，然而答案并非易事。根据报告的比值范围是1.3(Xiao,2002)到13.5(Shen et al.,2005)。的比值范围是1.1(Bo et al.,2003)到6(Xiao,2002)，其中是锯轴的当量直径。
- 有限元模型
在分析中，采用线性弹塑性MohrCoulomb模型进行模型初步填土，砂垫层和加筋挡土墙的回填。Xue等人(2014)在2维有限元分析中使用的硬化土模型是用来模拟软土固结过程中的强度增量。
4.1硬化土模型
已经提出了几个数值模型来模拟软土的特性，如Modified Cam-clay模型，Duncan-Chang模型和Modified Pseudo-Plasticity模型(Duncan and Chang, 1970; Hsieh et al., 2003)。Hardening-Soil (HS)模型是用来说明土壤的双曲线弹塑性特性的最先进模型之一(Chen and Yu, 2011; Berilgen, 2007; Schanz, 1999; Tolooiyan and Gavin, 2011)。在模型中，土壤刚度是一个与应力相关的参数，并且对初始加载和卸载/重装是不同的。多面屈服准则是用来计算塑性应变。该模型已被许多研究者用来研究软土特性(Thakur, 2011; Suraraka et al., 2012)。在HS模型中，土壤刚度是用应力相关的割线模量(E50)计算出的，它被定义为是在50%极限偏应力时的刚度：
（4）
其中是在的围压下的参考刚度，例如在PLAXIS中默认的100kPa，m确定了有多少刚度是受应力的影响。
卸载/重新加载刚度()的定义为：
（5）
其中是在的围压下的参考卸载/重新加载刚度。土壤强度S由和的应变相关功能确定的：
（6）
其中和分别为主要和次要的有效主应力，是抗剪强度的渐近值，可以用含有塑性应变的公式估计。关于HS模型更详细的描述可以在Schanz等人(1999)那里找到。本例中使用的参数分析如表3所示是基于三轴试验和原状土样试验(Xue et al., 2014)。
4.2排水区的土壤渗透性
正如之前讨论过的，许多因素会影响排水区土壤的渗透性，如涂抹区的直径和涂抹区的土壤渗透性。研究者在有限元里提出了不同的方法来模拟三维流动问题。Hird and Kwok (1986)表明，垂直排水的影响可以被认为是通过应用土壤渗透性的系数来增加排水区整体的渗透率。然后，因素的选择与场地相关。单元是被许多研究者用于考虑排水区影响的另一种技术 (Barron, 1948; Hird et al., 1992; Tran and Mitachi, 2008)。Chai 等人(2001)建议用等效的土壤渗透性来考虑排水效果，以减少三维有限元中排水管模型的复杂性。由于土壤剖面变得复杂，模型的准确性下降，孔隙水压力的消散率随着排水板的距离变化，这就不能在等效渗透模型中进行模拟(Walker, 2011)。尽管在完整的三维有限元中研究多个排水的尝试很有限，只有简单的几何形状建模，但它可以在三维有限元中建模计算太多密集型的元素。在PLAXIS三维中，用内置引流线原理建模排水来分析三维流动的问题。正如前面讨论的，安装排水管时，由于涂抹作用，排水管附近的土壤渗透性可能会减少。因为在安装排水管之后很难测量原位渗透，一次性折减系数应用于下列三种情况下的土壤渗透性：
-
实验室测试的土壤渗透性是采用排水区中的土壤，不考虑涂抹作用；
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