软基加筋路堤设计的重要问题讨论

研究和实践表明，加筋堤坝的现场性状明显不同于当前的常规简化设计方法（Bassett和yeo，1988；Lifwinowicq等，1994）。在常规设计中一般不考虑土层在施工过程中的部分固结，且认为软土的不排水强度不随深度而变化，填筑速率对加筋堤的稳定性的影响被忽略等。新近的研究表明，这些因素都会产生重大的影响。因此，下面叙述分别考虑上述因素的设计方法。同时，对几种加固措施[尤其是预制的垂直排水带（简称PVD）的应用]联合使用时的有关问题也作一介绍。

11.2.3.1　施工期软土地基部分固结的考虑

由于在通常的加筋堤设计中假定施工期地基和土堤处于不排水状态，不考虑固结，故堤坝稳定的最危险时期是在填筑完成之时，然而，实际上施工期地基土的抗剪强度会有一个明显的增长，因此土堤的稳定性会增加，尤其当PVDS同时应用于加筋堤地基的情况下，这个增加更加显著，而且这种部分固结所产生的稳定性，会由于堤坝加筋体的存在得到提高。

要考虑施工期的固结，必然涉及填土施工速率和间歇（或分段）施工的影响，Rowe and Soderman（1985）建议，对软基上填土的施工速率应放慢，以保证孔隙压力系数Bmax低于0.34（Bmax=Δu/Δσv）。例如，在Hubery Road堤的施工中，由于未控制Bmax值，当超孔压系数达到0.7时，堤坝发生了破坏（Rowe和Mylleville，1996）。

同时使用加筋和间歇（分段）施工时，对软基上加筋堤的稳定很有好处。Shimel和Gertje（1997）曾报导，采用高强度筋材结合分段施工，在工程计划时间内，在很软弱的软基上安全地填筑了4.3m高的加筋堤。

由此看来，在软基加筋堤坝设计中，软基发生部分固结是必须考虑的。其方法是控制超孔隙压力系数Bmax不超过设定的值，而填筑的速率由现场的孔隙水压力和水平变形监测设备来控制。

下面是一个实例，在加拿大New Brunswick的Sackville，对在可压缩的黏质粉土沉积土上的加筋和未加筋堤的填筑进行了全过程的监测。土的天然含水量为40%～70%，WL=42%～76%，Wp=15%～23%。监测表明，当填筑至2.4m时，地基土都表现为弹性状态，当填筑至5～5.7m时，出现了明显的塑性变形。未加筋堤在约6.1m时破坏，而加筋堤则在8.2m时才破坏，采用黏塑性模型对加筋应变进行计算，表明其值与堤坝施工期的实际测量应变相一致，如图11.15所示（Rowe和Hinchberger，1998）。上述成果表明，黏塑性模型对某些灵敏软黏土是很有效的。

图11.15　计算的和实测的筋材应变与填土厚度的关系（高堤趾8.8m）（Rowe，2002）

软土地基施工期的部分固结在高孔隙率的泥炭土中表现尤为明显。Oikawa等（1966）曾经报导，由于多层土工合成筋材的使用而形成的加筋层刚性基础，在填筑期间和填筑以后，泥炭土会发生相对较快的固结，从而使基础的剪切变形较小，研究表明，在一般的施工速率下，泥炭土的多孔特性常常会造成超孔隙压力的部分消散，从而使地基强度增长，堤坝的稳定也因此得到加强。由此可见，施工期的部分固结可以有效地减少施工结束时加筋应变的发展。而常规设计方法上所设定的施工期地基处于不排水状态的假定常常过于保守，考虑部分固结的设计方法可以应用于加筋堤的设计。再一点，考虑部分固结对于筋材在破坏时的应变也有影响，图11.16（Rowe，2002）显示，对加筋堤在不排水状况下的破坏应变为εf=1.3%～6.1%，而部分排水情况时则为εf=3.2%～6.5%，这是因为强度较大的土体，在破坏机理上也会引起某些变化，从而使破坏时，对应的堤坝高度较高者其破坏应变也大。图11.17为不排水与部分排水堤坝破坏高度的比较图。

图11.16　土堤破坏高度与筋材拉伸刚度的关系（土剖面A）（Rowe，2002）

图11.17　土堤破坏高度与筋材拉伸刚度的关系（土剖面A）（Rowe，2002）

11.2.3.2　地基土不排水抗剪强度随深度增长的考虑(www.xing528.com)

研究表明，当基础的强度沿深度是均匀的，则筋材的效果与筋材所处的深度密切相关，当筋材的位置超过堤坝宽度的0.5倍时，筋材对地基稳定性的作用不大，但是假如沿地基深度不排水强度有增长时，则情况就有不同，这时筋材的作用就不仅与筋材本身的刚度有关，而且与不排水强度沿深度的不排水速率有很大关系。

Rowe和Soderman（1987）的研究表明，如果地基土层的强度较低，未加筋堤的滑动面可能相当浅（如地表下2m）。然而由于加筋作用，其破坏机理就有所变化，这时滑面就会深入到较深的强度较高的土层中，例如有一个例子表明，若地基中使用了刚度较大（J=4000kN/m）的筋材，滑动面会从坝肩边缘附近移至路堤中心线附近，滑动面的最低点会从2m加深到8.5m，由此可见，深部土体较高的强度和筋材的拉力，明显增大了堤坝的破坏高度。

软基上堤坝破坏时的填筑高度与3个因素有关：①筋材抗拉刚度的增加；②沿深度土体强度的增长速率；③地基—筋材交界面的强度。一般来说，强度沿深度的增加越快，筋材刚度增加所造成的影响就会越显著，如图11.18所示。

图11.18　不同基土下容许压力（FS=1.3）与拉伸刚度的关系

注　PC为不排水强度沿深度增长率，J为拉伸刚度，Pa为容许压力
（a）Su=5kPa；（b）Su=10kPa；（c）Su=15kPa

土体与筋材之间的交界面的强度对地基上的允许压力的大小有很显著的影响，当交界面强度为15kPa的情况时，筋材刚度增加对地基上允许压力的影响就远比界面强度为5kPa时大得多，另一方面，当地面存在高强度的硬层时，这种硬层有时可起控制作用，即使采用了抗拉刚度很高的筋材也可以。

11.2.3.3　施工速率影响的考虑

Rowe和Li的研究表明（1999），若施工期的填筑速率为1m/月时，对于允许孔压消散的耦合分析给出了未加筋路堤破坏高度的增量为2.4m。若使用加筋材料，刚度分别采用500～8000kN/m，则破坏高度增加了0.71～2.36m的附加量（相对于未加筋事例）。

分阶段施工也反映了施工速率的影响，例如筋材J=4000kN/m的一级填筑所获得的破坏高度与筋材的J=2000kN/m的四级填筑所获得的破坏高度相近（Rowe，2004）。因为分级填筑可使超孔压显著地消散。根据这一点，反过来说，若需要缩短施工期限，也可以用土工合成材料加筋的方法来实现。

此外，若为了缩短工期，促使超孔压加速消散，也可以采用设置预制的垂直排水带的方法（PVDS）。

前已提出，软基上堤坝填筑中的加筋可以加速地基土的固结程度，筋材的刚度越大，路堤破坏高度的增量也越大。例如，对未加筋（J=0）和高加筋筋材（J=8000kN/m），路堤的净破坏高度的增量分别为0.6m（由2.5m到3.1m）和2.4m（从4.8m到7.2m）。因此，筋材的作用不仅仅是直接导致地基土的刚性增大，而且其促进固结的作用也使地基土的强度增大。

11.2.3.4　预制垂直排水系统（PVDS）的使用

PVDS的造价较低，而且施工容易，故它常代替传统的砂井作为加速垂直排水的措施。将加筋与PVDS联合使用可以使较高的堤坝在较短的施工期内得到良好的填筑效果，下面一节将详细分析这个问题。