返包式土工格柵加筋路堤有限元數(shù)值模擬①

黃文軍， 葉建忠， 楊修晗

(1，3．同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092;2．浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006)

0 引言

隨著高速公路大規(guī)模修建，遇到了膨脹土、軟土等特殊土施工難、質(zhì)量控制不宜把握等典型問題．土工合成材料的應(yīng)用在一定程度上解決了土木工程建設(shè)問題[1]．土工格柵加筋土擋土墻因其安全與經(jīng)濟(jì)而在水利、交通及城建等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而有限元法是研究這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，從而指導(dǎo)其設(shè)計(jì)的一種強(qiáng)有力的手段[2]．

陳建峰等模擬了軟土地基加筋土擋墻在分級(jí)堆載情況下?lián)鯄ξ灰?、土壓力、格柵變形的變化?guī)律，并對(duì)擋墻穩(wěn)定系數(shù)與筋材加長長度和層數(shù)的關(guān)系用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了探討[3]．蔣鑫對(duì)軟土地區(qū)加筋土路基大變形固結(jié)進(jìn)行了有限元分析，考慮更新網(wǎng)格和更新水壓，比較大變形固結(jié)有限元和小變形固結(jié)有限元分析的結(jié)果，利用剪切強(qiáng)度折減法，探討了施工全過程中加筋土路基的穩(wěn)定性及潛在滑動(dòng)面性態(tài)的演變[4]．介玉新等用強(qiáng)度折減法對(duì)兩個(gè)高度分別為60m和40m的土工格柵加筋高邊坡的設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析，綜合考慮了塑性區(qū)貫通、特征點(diǎn)位移突變、計(jì)算不收斂，以及土工格柵的容許抗拉強(qiáng)度等因素，確定了相應(yīng)的安全系數(shù)[5]．

筆者結(jié)合工程實(shí)際對(duì)返包式土工格柵加筋土路堤進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，并與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比，分析了返包式加筋路堤水平土壓力、垂直土壓力和格柵拉伸應(yīng)變等在施工期間的變化規(guī)律．

1 工程概況

在建的湖北省十堰至房縣公路GK0+308段位于丹江口市官山鎮(zhèn)附近．原山坡坡度較陡，如果全部采用土工格柵加筋路基，受限于原山坡坡度，下部土工格柵嵌固深度不足．如果全部采用重力式圬工擋墻，則造價(jià)過高．因此，經(jīng)過多方面綜合比較分析，結(jié)合綠化要求，最后采用圬工擋墻+土工格柵加筋路基方案．該方案下部15m采用重力式圬工擋墻，上部3－11m采用土工格柵加筋路基，土工格柵采用HDPE土工格柵(格柵參數(shù)如下表1)．

根據(jù)上部填方路基段的地形坡度和殘坡積覆蓋層厚度，該段土工格柵加筋土路基按1:0．25坡率進(jìn)行設(shè)計(jì)，格柵豎向間距為50cm，加筋長度9m．加筋土路基坡面采用土工格柵反包回折，以防止施工時(shí)土體散落和坡面塌滑．

表1 HDPE單向土工格柵技術(shù)指標(biāo)表

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及數(shù)值模型

2．1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

斷面的主要測(cè)試內(nèi)容包括典型位置處的土工格柵拉伸變形、垂直土壓力和水平土壓力等．現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段測(cè)試時(shí)，土壓力測(cè)試儀器采用金壇市海巖工程儀器廠生產(chǎn)的TXR型振弦式土壓力計(jì)，該儀器根據(jù)不同壓力下振弦的頻率不同來測(cè)試土壓力，利用頻率計(jì)進(jìn)行測(cè)試．格柵拉伸變形的測(cè)量采用金壇市海巖工程儀器廠生產(chǎn)的HYDG－2405型柔性位移計(jì)，通過XP11系列智能綜合讀數(shù)儀進(jìn)行測(cè)試．剖面的測(cè)試內(nèi)容和埋設(shè)的測(cè)試元件及其編號(hào)下圖1．

圖1 斷面GK0+308測(cè)試元件布置示意圖

2．2 數(shù)值模型

Plaxis是一個(gè)專門用于巖土工程變形和穩(wěn)定性分析的有限元計(jì)算程序．通過簡(jiǎn)單的輸入過程可以生成復(fù)雜的有限元模型，而強(qiáng)大的輸出功能可以提供詳盡的計(jì)算結(jié)果．對(duì)于土工格柵等加筋材料，Plaxis有相應(yīng)的界面單元和土工格柵單元進(jìn)行加筋計(jì)算．

圖2 PLAXIS計(jì)算模型示意圖

圖2為此次數(shù)值模擬所建立的模型，填土和下部的重力式圬工擋墻(相關(guān)參數(shù)指標(biāo)如下表2)均采用摩爾—庫侖模型，土工格柵采用Plaxis自有的彈塑性土工格柵單元模擬，用軸向剛度這個(gè)指標(biāo)來反應(yīng)土工格柵的強(qiáng)度．本次計(jì)算采用平面應(yīng)變15節(jié)點(diǎn)單元．共剖分5726個(gè)單元．并且對(duì)格柵和路堤邊界進(jìn)行了加密．考慮到路堤邊坡存在臨空面，且地層為非水平地層．因此邊坡初始應(yīng)力采用重力加載方式，而非K0加載方式．

為了模擬土工格柵與土之間在施工或工作運(yùn)行過程中的相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，有必要在土工格柵與土之間設(shè)置單元接觸面;筋材與土之間的應(yīng)力傳遞取決于加筋土的界面強(qiáng)度，而界單元的強(qiáng)度等于周圍土體的強(qiáng)度乘以土與界面單元的摩擦系數(shù)Rinter，因此參數(shù)Rinter反映了兩者相互作用的程度．根據(jù)HDPE單向土工格柵的技術(shù)指標(biāo)以及Plaxis手冊(cè)相應(yīng)的計(jì)算公式Rinter取0．67，EA取1000kN/m．

表2 數(shù)值模型巖土物理力學(xué)參數(shù)

模擬了地基土在分級(jí)填土過程中加筋土垂直土壓力、水平土壓力以及格柵的拉伸應(yīng)變等內(nèi)容．模型的左右邊界均設(shè)置水平方向上的位移約束，底部邊界設(shè)置了水平和垂直方向上的位移約束．

3 計(jì)算結(jié)果分析

3．1 水平土壓力

根據(jù)圖3所示的實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的加筋土水平土壓力結(jié)果可知，數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合，第一層的水平土壓力數(shù)值模擬的值和實(shí)測(cè)值差別有大約10kPa，可能是由于與第一層底部格柵接觸的巖石的參數(shù)與填土有很大的差別．總體來說，水平土壓力的分布具有以下特點(diǎn):a隨著上覆填土厚度的增加，不同層位處的水平土壓力逐漸增大，但是增大的速率大部分層位發(fā)生減小;b水平土壓力沿加筋路基高

圖3 水平土壓力隨填土高度的變化曲線

度呈非線性形式分布，路堤中部的水平土壓力數(shù)值略大于頂部和底部，這說明土工格柵通過與土體之間的咬合作用，提高了土體的抗壓強(qiáng)度，使路堤的整體性得到加強(qiáng)．

3．2 垂直土壓力

根據(jù)圖4(a～b)所示的實(shí)測(cè)的和數(shù)值模擬加筋土垂直土壓力結(jié)果可知，數(shù)值和實(shí)測(cè)的結(jié)果非常接近，加筋路堤垂直土壓力分布具有如下特點(diǎn):(1)在填方路基施工過程中，隨著上覆填土厚度的增加，不同層位處的垂直土壓力逐漸增大，而且基本是線性的．(2)同一層位不同位置處的垂直土壓力呈非線性分布，且越遠(yuǎn)離坡面垂直土壓力越大，說明土工格柵的存在對(duì)加筋填土的垂直土壓力分布具有明顯的調(diào)整作用．

圖4 不同層位垂直土壓力隨填土高度的變化曲線

3．3 筋材拉伸應(yīng)變

根據(jù)圖5(a～c)所示的施工期土工格柵實(shí)測(cè)

和數(shù)值模擬所得的拉伸應(yīng)變結(jié)果可知:(1)在填方路基施工過程中，隨著上覆填土厚度的增加，各層土工格柵拉伸變形也逐漸增大，相應(yīng)的受力也逐漸增大．各層土工格柵的拉伸變形一般在剛開始填土?xí)r的增加速率較大，之后隨填土高度的增加格柵拉伸變形速率略有減小;(2)填土厚度變化時(shí)，每層土工格柵的應(yīng)變沿筋長方向的分布規(guī)律大致保持不變，但不同層位處的格柵應(yīng)變沿筋長的分布規(guī)律有所不同;(3)實(shí)測(cè)結(jié)果中大部分深度處的土工格柵的最大拉伸應(yīng)變出現(xiàn)在離開反包面2～4m處，但是數(shù)值模擬的結(jié)果則出現(xiàn)在1－3m處;(4)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬土工格柵的拉伸應(yīng)變范圍均在0．1% ～1．2%之間，說明土工格柵受到的最大荷載不超過20kN/m，遠(yuǎn)小于土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度;(5)同一垂直剖面上，加筋路基上部筋材拉伸應(yīng)變隨時(shí)間增加的發(fā)展速率明顯大于下部筋材．同一層筋材，加筋路基外部筋材拉伸應(yīng)變的隨時(shí)間的增加幅度明顯大于內(nèi)側(cè)．(6)上覆填土厚度對(duì)加筋土工格柵拉伸應(yīng)變略有影響，但影響不大．

圖5 不同層位格柵拉伸應(yīng)變隨填土高度的變化曲線

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果而知:(1)整體而言，路堤填土在采用土工格柵加強(qiáng)后，其整體穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，路堤中部的水平土壓力數(shù)值略大于頂部和底部，這說明土工格柵通過與土體之間的咬合作用，提高了土體的抗壓強(qiáng)度，使得路堤的整體性得到加強(qiáng);(2)同一層位不同位置處垂直土壓力呈非線性分布，且越遠(yuǎn)離坡面垂直土壓力越大，說明土工格柵的存在對(duì)加筋填土的垂直土壓力分布也具有明顯的調(diào)整作用;(3)施工期間實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬土工格柵的拉伸應(yīng)變范圍均在0．1% ～1．2%之間，說明土工格柵在工作期間一直處于安全狀態(tài)，沒有被拉斷的趨勢(shì)．因此，該填方路堤土工格柵的加筋效果良好．

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