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用极限平衡水平条分法进行土工格室加筋的边坡稳定性分析
伊曼 美迪普,S.M.ASCE1; 艾哈迈迪 加扎维2; 雷扎 齐亚伊 莫伊德3
摘要：在三维约束条件下，相对于平面钢筋的平面膜效应，土工格室钢筋可以作为一种既能承载弯曲应力又能承载膜应力的梁。本文提出了一种用水平条分法（HSM）确定土工格室加筋边坡安全系数（FOS）的分析方法。将土工格室与填土共同组成的土工格室加固模型模拟为填土组合梁。土工格室加固边坡的FOS改善主要表现在垂直应力分散、垂直摩擦阻力和土工格室加固提供的结构机理等方面。采用环向拉应力理论，研究了土工格室直径对土工格室加筋边坡土体约束和FOS的影响。将计算结果与强度折减法（SRM）数值模拟结果进行了比较。通过一系列参数分析，评价了土工格室布置深度、土工格室层数、土工格室袋径、土工格室高度、坡角和土体抗剪强度对土工格室加固边坡稳定性的影响。结果表明，土工格室的加固机理与土工格室的厚度密切相关。随着土工格室高度的增加，其流动强度和垂直摩擦阻力增大。与平面加筋相比，为了获得等效的FOS值，需要更小的土工格室加筋量。计算结果与SRM计算结果吻合较好。DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000935.copy;2017 美国土木工程师协会。
关键字：组合梁模型；土工格室；水平条分法（HSM）；数值模拟；平面配筋；边坡稳定性。
正文：
通常采用土工合成材料增强土的抗渗能力，减少土体变形。近年来，对钢筋混凝土墙和边坡的性能进行了多方面的研究，包括实验研究(Chen et al.2007;El-Emam and Bathurst 2007;Kazimierowicz-Frankowska 2005;Latha and Krishna 2008; Yang et al.2009)，数值模拟(Hatami and Bathurst.2000; Huang and Wu 2006; Rowe and Ho.1998; Rowe and Skinner.2001)，和解析模型((Ahmadabadi and Ghanbari.2009; Ghanbari and Taheri.2012;Nouri et al.2006,2008;Shahgholi.2001;Shekarian et al.2008)。而土壤性能提升的最新进展是利用土工格室增强器提供的三维（3D）结构。土工格室的床垫由一系列连锁单元组成，它们能有效地利用土壤中的成分结构。同时对土工格室提高土体承载力和减少地基沉降的有效性也进行了深入研究((Dash et al.2003,2004;Hegde and Sitharam.2015b;Krishnaswamy et al.2000;Latha and Murthy 2007;Leshchinsky and Ling.2013b;Sireesh et al.2009;Sitharam and Hegde 2013;Tafreshi and Dawson 2010,2012;Zhang et al.2010a)。考虑到三维结构，土工格室垫板的性能可以类似于地基梁或板，它既能承载弯曲力又能承受薄膜应力(Dash et al.2001a,2007;Pokharel et al.2010;Tang and Yang.2013;Thallak et al.2007; Zhangetal.2009,2010b)。例如，Dash等（2007）报道了土工格室床垫的能力，即随着地质单元高度的增加，深梁行为占主导地位。张等（2009，2010b）在温克勒地基上模拟土工格室加固床垫，分析地基的变形特性。结果表明，土工格室的模量和高度对梁的刚度有关联，与平面加筋相比，可以引起较低的土体变形。Dash（2010）指出，地质单元床垫充当一个宽的板坯，将地基压力传递到下面的土壤，并在更广泛的区域上重新分布。唐和杨（2013）通过三层梁模型试验研究了土工格室加固的行为。在地质化学研究中，土工格室加筋被模拟为夹在两个相同的多木梁之间的连续梁。结果表明，土工格室加筋对外力变形具有明显的抵抗力，特别是对于土工格室的高径比（纵横比）。张等（2009）报道了侧向阻力、竖向应力分布和膜效应是土工格室加固的主要特征，可以减少路基变形。
除了提高承载力外，还可以有效地利用土工格室加固来减少边坡和墙体的变形。例如，林等（2009）报道了土工格室的使用导致重力墙横向变形的减少。Medidipun等（2013）利用强度折减法（SRM）对土工格室加筋边坡的稳定性进行了数值分析。作者认为，土工格室加固是一种板坯或梁，在这种情况下，土工格室加固的抗外力作用可以减小边坡的侧向变形。因此，在土工格室布置下，边坡的侧向变形和剪应变值减小。陈等人（2013）表明在保持结构一定深度处土工格室长度的增加会导致墙的下移和沉降。Latha（2000）提出了土工格室加筋路堤的等效复合设计方法，其中土工格室加筋被建模为具有附加内聚强度和刚度的土层。表1中列出了用于研究土工格室加固对不同土工应用性能的研究的总和。尽管大量的研究旨在评价土工格室加筋土的承载力和沉降特性，但利用土工格室加固来提高边坡稳定性的潜力还没有很好的记录(Bush et al.1990;Chen et al.2013;Cowland and Wong.1993;Krishnaswamy et al.2000; Latha.2000; Latha et al.2006; Latha and Rajagopal.2007;Mehdipour et al.2013; Sitharam and Hegde.2013; Song et al.2014)。
本研究的目的是检查土工格室加固的有效性，以提高土工格室加筋边坡的稳定性。利用水平条分法（HSM），提出了土工格室加筋边坡安全系数（FOS）的简化分析模型。在所提出的分析方法中，考虑土工合成材料梁的主要特性，包括竖向应力分散、竖向摩擦阻力和结构机理，将土工格室加筋材料模拟为土工合成梁。用Medidipun等人进行的SRM数值分析验证了分析模型（2013）。对土工格室加筋边坡的FOS进行了一系列对比分析，以评价土工格室层的埋深、土工格室层数、袋体直径和土工格室高度、坡角和土体抗剪强度等因素的影响。
分析与假设
在本研究中，利用Shahgholi提出的极限平衡HSM（2001）确定土工格室加筋边坡的FOS。在这种技术中，滑动楔被划分成许多不与加固物相交的水平切片，因此，加强筋对层间力没有直接作用。努里等人研究了许多不同的HSM配方（2006,2008）对平面加筋边坡进行分析。基于它们的结果，通过考虑滑动楔的力矩平衡方程（2n 1）公式（其中n是水平切片的数目）可以提供具有适当精度的可接受的结果（努里等人 2006）。因此，在本文报道的研究中，采用（2N 1）公式确定土工格室加筋边坡的FOS。表2中列出了（2n 1）公式的等式和未知数的列表。
表1 土工格室加固技术在岩土工程中的应用研究综述
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数值建模 |
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研究范围 |
实验研究 |
分析研究 |
三维数值模型 |
等效复合模型 |
梁模型 |
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基础 |
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系统 |
Dash et al. 2001a, b, 2003, 2004; |
2009) |
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资料编号：[2017] |
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