利用有限元建模研究土工合成材料对路堤性能的影响——以一个案例研究为例

《Results in Materials》：The impact of geosynthetics on embankment performance using finite element modelling - a case study

软土地区堤坝稳定性研究中，通过Plaxis2D有限元模型分析不同坡度（18°,27°,45°）下EPS与PET土工合成材料的协同效应，发现组合加固使沉降减少48%，45°斜坡稳定性提升35%，证实材料配置与坡度对稳定性的关键影响。

　　
本文针对孟加拉国Teknaf地区软土质堤坝稳定性问题，通过Plaxis2D有限元建模方法系统研究了聚乙烯醇（PET）土工布与膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫的协同加固效果。研究区域地质条件特殊，表层分布着高塑性黏土层（CH）与粉质黏土层（ML），地下水位频繁波动，且需承受台风与潮汐荷载的双重挑战。通过建立包含人工砂垫层（200mm）、粉质黏土（800mm）、高塑性黏土（3.75m）和深层粉质黏土（10m）的四层复合土体模型，重点考察了不同坡角（18°、27°、45°）条件下材料组合对工程性能的影响。

在建模过程中，创新性地采用分层加载-固结-卸载的三阶段模拟流程（共14个工况），结合非线性材料本构模型（黏土采用硬化模型，砂土及EPS采用线弹性模型）。通过系统对比发现：当采用EPS-15（密度15kg/m3）与PET-300（抗拉强度300kN/m）组合时，45°陡坡堤坝的工后沉降量可降低48%，安全系数提升35%；而在18°缓坡条件下，EPS-39（密度39kg/m3）与PET-900（抗拉强度900kN/m）组合表现出最佳协同效应，安全系数达到2.8，较未加固堤坝提升62%。

研究揭示了三个关键规律：其一，坡角与加固材料效能呈非线性关系，45°陡坡对PET土工布抗拉强度的敏感度是18°缓坡的1.8倍；其二，EPS密度与PET抗拉强度的组合存在最优区间，当EPS弹性模量达到10,000kN/m2时，PET抗拉强度超过800kN/m后边际效益递减；其三，土工布的排水性能与EPS的缓冲作用形成互补机制，在模拟交通荷载（3650天持续加载）下，复合加固体系较单一材料加固可减少35%的长期沉降。

特别值得注意的是，在45°陡坡工况中，当PET抗拉强度达到700kN/m时，安全系数出现异常波动，这可能与土工布的临界排水能力与土体固结速率不匹配有关。研究团队通过对比发现，采用分层间隔放置EPS泡沫（每层间隔0.8m）可使排水效率提升27%，同时避免材料界面应力集中问题。

相较于传统换填法（成本约$15/m2）和纯土工布加固（成本$8/m2），本研究的材料组合方案（EPS+PET）在保证安全系数≥2.5的前提下，成本可控制在$6.5/m2，具有显著经济效益。此外，通过引入200mm厚级配砂石垫层，成功解决了软黏土与EPS材料模量差异带来的数值模拟不稳定问题，为同类地质条件下的建模提供了新方法。

未来研究可进一步探索以下方向：① EPS泡沫在循环荷载下的疲劳特性；② 不同排水路径（砂垫层厚度、土工布渗透性）对长期沉降的影响机制；③ 基于机器学习的材料组合优化模型。这些研究将有助于建立适用于南亚典型软土环境的堤坝加固设计规范，为"一带一路"沿线港口公路基础设施建设提供关键技术支撑。