尺寸效应对模袋砂围堰破坏模式的影响

尺寸效应对模袋砂围堰破坏模式的影响

王 力，梁天河

摘 要：模袋砂围堰是我国近海围海造陆工程中应用广泛的一种快速筑堤方法，本文采用数值模拟的方法，对天然软土地基上模袋砂围堰的填筑过程进行模拟，研究模袋砂围堰在不同横截面尺寸情况下地基变形形态和破坏模式。结果表明，模袋砂围堰存在两种不同的破坏模式，围堰宽度小于临界宽度时发生地基整体剪切破坏，围堰宽度大于临界宽度时发生边坡整体滑动破坏。

关键词：模袋砂围堰；尺寸效应；有限元分析；破坏模式

中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）02-0247-03

一、引言

现阶段我国的围海造陆工程呈现以下趋势：吹填面积越来越大、工程进度越来越快、施工环境越加复杂、施工难度越来越大。传统的围堰构筑方式如草土围堰、抛石围堰、钢板桩围堰等已不再适用[1]。模袋砂围堰，又称砂袋围堰，采用土工布包裹砂土，相互搭接堆填，不仅具有透水、隔离、过滤等作用，更大大的提高了土质围堰的凝聚力和整体性，能较好地抵抗波浪的冲刷及适应软土地基的变形，得到了广泛的应用。

有许多学者通过数值模拟的办法来研究模袋砂围堰的稳定性问题。付海峰[2]针对模袋固化土围堰进行了数值模拟，认为模袋没有被撕裂的情况下，滑动面就不可能穿过模袋，围堰可作为上部结构考虑，稳定性分析只需考虑地基土是否破坏。邓海丁[3]对大尺寸模袋砂围堰的稳定性进行了分析，研究围堰的坡度和顶部宽度对围堰整体稳定性的影响。计算结果表明，大尺寸模袋砂围堰的坡度越缓，顶部宽度越大，安全系数越大。高峰[4]通过对广州番禺区某工程模袋围堰进行分析，得出围堰整体安全系数随模袋抗拉强度的增加呈线性增长，随袋内充填土体强度增加呈非线性增长。周星德[5]采用三维有限元强度折减法研究模袋横向抗拉强度、含泥砂黏聚力、充填袋层厚以及充填饱满度对模袋砂围堤整体安全系数的影响规律。羊炜[6]基于强度折减法和极限平衡法对模袋砂围堰稳定性进行了分析，对比了两种计算方法的适用性和结果的准确性。同时计算了反压平台对围堰稳定性的影响，计算结果表明设臵反压平台可以有效的提高围堰的安全系数。

在实际工程应用中，模袋砂围堰技术不断发展，模袋的尺寸不断扩大是一个突出的方面。在长达上百米、宽度数十米的大尺寸模袋砂围堰荷载作用下，首先应当确定围堰-地基的变形和破坏形式，这是进行围堰设计的基础。本文考察大尺寸模袋砂围堰在其宽度改变下围堰-地基的变形破坏模式，通过建立有限元模型，采用相同的模袋砂厚度、边坡坡度以

收稿日期：2017-11-04

作者简介：王 力（1993-），男，华南理工大学土木与交通学院，硕士，主要研究方向为软土地基，加筋土结构。

图1 模袋砂围堰断面示意图

为了消除边界条件对数值模拟的影响，地基长度方向上取10倍基础宽度，深度取5倍基础宽度。约束地基土左右边界的水平位移，约束地基土底部的竖向和水平两个方向的位移。对模袋砂及其附近区域的网格进行加密，以获得更精准的计算结果，网格划分如图2所示。

地基土及充填砂采用15节点三角形单元模拟，本构模型均采用Mohr-Coulomb模型，模型计算参数结合工程勘查报告与室内土工试验取值，具体取值如表1所示。

及填筑高度，改变模袋砂围堰底宽进行计算分析。

二、模袋砂围堰有限元分析

本文的研究模拟中，需要考虑土工模袋的受力对围堰的变形和地基破坏模式的影响，Plaxis有限元软件中拥有专门进行此类模拟的土工格栅单元，能够较方便的实现模拟，因此采用岩土有限元分析软件Plaxis来模拟软土地基上修筑砂袋围堰。

1．模型的建立

为研究大尺寸模袋砂围堰宽度对其破坏模式的影响，模型采用图1的横截面形式，每层模袋砂的厚度h=1m，采用相同的加载高度H=4m和相同的边坡坡度k=1：2，仅改变围堰底层的相对宽度B进行计算对比，分别计算模袋砂底层宽度为16、24、32、40、48、60m的情况。

248 中 国 水 运 第18卷

图2 模袋砂围堰模型网格划分

充填砂袋采用“土工格栅”单元进行模拟，土工格栅单元是具有轴向刚度而没有弯曲刚度的线单元，土工布的变形由弹性轴向刚度EA控制，土工布的塑性则通过极限抗拉强度来考虑，在有限元分析时取土工布的刚度EA=150kN/m，极限抗拉强度NP=15kN/m。

表1 模型计算参数

重度γ

弹性模量E

粘聚力c 内摩擦角φ

界面强度折减因子

材料

泊松比μ

kN/m

kPa

kpa

。

Rinter

地基土

16.0

1,000 0.33 5 3 0.66

充填砂 18.0 20,000 0.3 1 31 0.86

2．计算结果和分析 （1）位移增量

位移增量是当前计算步的位移增量的绝对值，通常用于观察模型最终破坏的机理，通过不同底宽模袋砂围堰的位移增量图3，分析不同宽度模袋砂围堰的滑裂面形状。

（a）底层模袋砂宽为16m （b）底层模袋砂宽为24m

（c）底层模袋砂宽为32m （d）底层模袋砂宽为40m

（e）底层模袋砂宽为48m （f）底层模袋砂宽为60m

图3 不同宽度模袋砂围堰的位移增量图

从图3中可以看出，当模袋砂底层宽度B=16m、24m时，模袋砂地基滑裂面为两相交的圆弧，交点位于模袋砂中线位臵，滑裂面形状类似太沙基假定的滑裂面，地基呈现出地基整体破坏的形态。模袋砂底层宽度增大到B=32、40、48、60m时，两个滑裂面分离，滑裂面贯通至模袋砂围堰的顶部，呈现出类似边坡滑动破坏的形态。

（2）地基潜在滑裂面

整理上述计算中得到的地基潜在滑裂面形状和位臵，绘

制于图4中，根据对称性，只绘制围堰地基右侧部分。

图4 不同宽度下滑裂面形状和位置对比 从图4可以观察到，模袋砂围堰滑裂面根据其形状和位臵的不同，可以分成两组：第一组：基底宽度为16、24m，滑裂面的形状几何相似，滑裂面的位臵以模袋砂中心为对称轴对称分布。滑裂面的大小以模袋砂围堰底部中心为基点，随着基底宽度的增大而增大。第二组：基底宽度为32、40、48、60m，滑裂面的形状相近，滑裂面的深度和宽度随着模袋砂宽度的增大而有所增大，滑裂面位臵随基底宽度的增加水平向外平移。

（3）底层土工布受力分布

分析比较不同底宽模袋砂围堰的土工布受力分布，可知土工布受力主要集中在较低层土工布上。图5为底层宽度不同的模袋砂围堰最低层土工模袋的轴力图，其中，土工模袋的极限抗拉强度NP=15kN/m，底层土工布均被拉断。

（a）底层模袋砂宽为16m

（b）底层模袋砂宽为24m

第2期 王 力等：尺寸效应对模袋砂围堰破坏模式的影响 249

（c）底层模袋砂宽为32m

（d）底层模袋砂宽为40m

（e）底层模袋砂宽为48m

（f）底层模袋砂宽为60m 图5 不同围堰底宽底层土工布轴力图

当模袋砂底层宽度为16、24m时，土工模袋轴力分布呈抛物线形，最大值出现在模袋中心部位，向边缘逐渐减小。因此，此时模袋砂围堰最大变形出现在模袋砂围堰中心位臵下方。

当模袋砂底宽为32、40、48、60m时，底层土工模袋的轴力分布以模袋中心为对称轴对称分布，呈驼峰型。轴力

最大值出现在左右距模袋砂围堰边缘约1/4的位臵。土工模袋中心所受轴力随着模袋砂围堰尺寸的增大而减小，这说明，大尺寸模袋砂围堰发生边坡滑动破坏时受到土工模袋约束作用随着模袋砂围堰的宽度增大而逐渐减小。

3．模袋砂围堰破坏模式

综合上述分析，可以得出：模袋砂围堰软土地基的变形形态和破坏模式与围堰的宽度有关，并存在一个界限宽度值，

使模袋砂围堰地基呈现不同模式的破坏：

（1）地基整体剪切破坏。当模袋砂围堰的宽度小于界限值时，模袋砂整体变形呈抛物线状，中心沉降最大，围堰外侧地基发生隆起位移。地基破坏呈现类似太沙基假定的滑裂面形状，滑裂面为两条相交于模袋砂围堰中心位臵的滑弧。不同宽度的模袋砂围堰的滑裂面形状相似，滑裂面的大小随模袋砂围堰的宽度增大而增大。

（2）边坡整体滑动破坏。当模袋砂围堰的宽度大于界限

值时，模袋砂整体沉降形状呈马鞍型，模袋砂地基中部发生整体下沉，在边缘位臵处出现地基局部剪切破坏。地基局部剪切破坏产生很大的地基变形，导致该位臵土工模袋发生较大拉伸变形，当所受拉力超过其极限抗拉强度时，土工模袋发生断裂，土工模袋逐层受力集中后发生断裂，围堰失去整体性，发生边坡整体滑动破坏。

四、结论

模袋砂围堰存在两种不同的破坏模式：地基整体剪切破坏和边坡整体滑动破坏。存在一个宽度界限值，引起模袋砂

围堰发生不同的破坏模式。宽度较小时，发生的是地基整体整体破坏；宽度较大时，发生的是边坡整体滑动破坏。对于填筑高度为4m和边坡坡度为1：2的模袋砂围堰，计算得到宽度界限值为30m，大致为围堰高度的7.5倍。

参考文献

[1] 董志良，刘嘉，朱幸科等.大面积围海造陆围堰工程关键

技术研究及应用[J].水运工程，2013（05）：168-175. [2] 付海峰.模袋固化土海上围埝建造方法及理论研究[D].天

津：天津大学，2006.

[3] 邓海丁.大型模袋砂围堰稳定性及变形特性研究[D].广

州：华南理工大学，2014.

[4] 高峰.滨海软基上膜袋围堰稳定性分析及沉降预测研究[J].

岩土力学，2010，（04）：1233-1237.

[5] 周星德，王露健，吴利平等.软土地基上模袋砂围堤稳定

性分析[J].河海大学学报（自然科学版），2014，（03）：243-245.

[6] 羊炜.软土地基上模袋围堰稳定分析方法研究[D].广州：

华南理工大学，2011.