加筋墊層路堤有限元分析

周 娟

(同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

加筋墊層路堤有限元分析

周 娟

(同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

結(jié)合工程實例，采用有限元軟件Plaxis，分析了土工格柵加筋和未加筋時的穩(wěn)定性和變形情況，計算結(jié)果表明，在路堤底部設(shè)置土工合成材料加筋墊層可以減小路基的沉降、不均勻沉降及側(cè)向位移，提高路堤的整體穩(wěn)定性。

公路，加筋墊層，路堤，有限元分析

在軟土地區(qū)修建公路，通常會存在整體穩(wěn)定性不良以及后期沉降變形較大等一系列實際問題。土工合成材料加筋墊層路堤具有較好的穩(wěn)定性和較強的變形適應(yīng)能力，在路堤底部鋪設(shè)加筋墊層可以減小路堤的沉降和不均勻沉降，提高整體穩(wěn)定性。土工格柵具有高強度、低延伸率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，在公路工程中的應(yīng)用越來越多[1-3]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大型通用有限元軟件的完善，有限元法逐漸被應(yīng)用到加筋路堤的穩(wěn)定性分析中[4-6]。本文針對一源于實際工程的加筋墊層路堤，采用有限元方法對土工格柵加筋墊層的效果進行分析，得到了加筋前后路基的水平位移、沉降及穩(wěn)定性等的變化規(guī)律。

1 工程概況

云南楚雄—南華一級公路5標(biāo)高填方軟土路基試驗段屬于山地斜坡洼地地形地貌。根據(jù)鉆孔揭示，淺層發(fā)育有軟～可塑狀粘土、有機質(zhì)土、粉質(zhì)粘土，下部為殘坡積硬塑狀粉質(zhì)粘土，下伏基巖為侏羅系妥甸組粉砂質(zhì)泥巖，巖體破碎，巖質(zhì)較軟。

該處軟土屬于山間洼地沖洪積—湖積類型，含水量高、液限高，孔隙比和壓縮性大。地表水較豐富，地下水位較高，高填方路基易于發(fā)生沉降變形破壞；而且淺層土的塑性隨季節(jié)變化大，飽水條件下強度有所降低。山區(qū)雨季時，雨水在地表匯集，若地基處理不當(dāng)或排水不暢，雨水浸入地基，軟土性質(zhì)變差，路基將會發(fā)生較大不均勻沉降。基于山區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，試驗段覆蓋層較厚且路堤填筑高度較大，路基右側(cè)較高，只采用加筋墊層加固不能滿足沉降和穩(wěn)定性要求，因而在鋪設(shè)加筋墊層之前，需要對軟土路基進行深層處理[7]。該試驗段最終采用的處置方案為加筋墊層+加筋碎石樁，即軟土地基采用土工織物包裹式碎石樁，路堤底部設(shè)置兩層土工格柵構(gòu)成加筋碎石墊層。

2 有限元模型的建立

選擇試驗段的典型路基斷面，路面寬32 m，路堤填筑高度9.4 m，具體幾何參數(shù)如圖1所示。由于原地表略有傾斜，路堤左側(cè)的壓縮層厚度小于右側(cè)，左側(cè)的填方厚度則大于右側(cè)，所研究的斷面非對稱，取全結(jié)構(gòu)模型。各類巖土材料的計算參數(shù)列于表1。地基土從上到下各層的厚度分別為1.2 m，0.7 m，6.0 m，1.3 m，5.1 m。土工格柵采用通長布置，離地高度400 mm，土工格柵間距為300 mm，頂層土工格柵表面鋪設(shè)300 mm厚的砂礫，土工格柵抗拉剛度取5 000 kN/m。加筋碎石樁的樁徑為0.5 m，樁間距1.6 m，梅花形布置，樁長由基巖埋深確定，樁端進入基巖長度不小于0.5 m，樁體壓縮模量取40 MPa。地下水位于地表下0.5 m深度處。采用15節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的全局疏密度設(shè)置為細(xì)。計算模型采用Plaxis有限元軟件中提供的標(biāo)準(zhǔn)固定邊界條件，地基左右邊界以及基巖層底部采用不透水邊界。有限元計算步驟參考現(xiàn)場實際施工進度，具體步驟為：1)施工加筋碎石樁，歷時5 d；2)鋪設(shè)土工格柵加筋墊層，將路堤填筑至5 m，歷時30 d；3)施工間歇180 d；4)填筑路堤到9.4 m，歷時30 d；5)預(yù)壓固結(jié)90 d；6)工后固結(jié)期，直至孔壓低于1 kPa；7)穩(wěn)定性計算。為了對比，本文也對天然地基、僅采用加筋墊層、僅進行地基處理三種工況進行了模擬分析。根據(jù)具體工況，對上述有限元模擬步驟進行調(diào)整。

表1 土層材料參數(shù)

材料名稱重度/kN·m-3E/kPaυC/kPaφ/(°)路堤20200000.21534墊層20180000.21239粘土1851400.33288有機質(zhì)土1630000.35206粉質(zhì)粘土11864600.304211粉質(zhì)粘土21967000.273411泥巖20110000.254113

3 有限元計算結(jié)果及分析

3.1 水平位移

圖2為不同工況下路堤左側(cè)坡腳下的水平位移。從圖中可以看出，未進行地基處理時的水平位移最大，只設(shè)置加筋墊層時路基水平位移有所減小，加筋墊層+復(fù)合地基處理時的水平位移小于復(fù)合地基的水平位移，尤其是淺層軟土地基的水平位移有明顯的減小。說明在軟基上填筑高路堤，地基加固對約束地基變形至關(guān)重要，設(shè)置加筋墊層也對地基的側(cè)向位移有限制作用。這里加筋的作用體現(xiàn)在加筋墊層中筋材與土產(chǎn)生摩擦作用，筋材提供了水平抗拉作用，使土工格柵上下兩側(cè)的土顆粒受到約束，能夠限制土體的側(cè)向變形。

3.2 沉降

各工況下，地基表面的沉降變形曲線如圖3所示。從圖中可以看出，采用加筋碎石樁處置軟基后地基沉降值遠(yuǎn)小于地基未處理的地基沉降值，加筋碎石樁對地基的加固作用明顯。加筋墊層+復(fù)合地基的沉降小于復(fù)合地基的沉降，單獨采用加筋墊層處理后的沉降也明顯小于天然地基時的沉降。表明加筋墊層能夠減小總沉降，均化不均勻沉降。加筋墊層改善地基變形的原因，應(yīng)該歸結(jié)為土工格柵加筋墊層的整體性和剛度使應(yīng)力擴散作用增大，使傳遞到墊層下的豎向應(yīng)力減小，地基表面土壓力分布趨于均勻，導(dǎo)致地基沉降減小。這種作用可以提高地基承載力，有利于減小地基土的剪切變形，從而減小路堤中部的最大沉降量，使差異沉降減小。筋土界面摩擦力使水平位移減小，也間接地減小了地基豎向變形。

3.3 土工格柵軸向拉力

圖4為僅利用加筋墊層處理及加筋墊層+加筋碎石樁聯(lián)合處理軟基時底層土工格柵的軸向拉力。

由圖4可知，加筋墊層與復(fù)合地基聯(lián)合使用時，土工格柵的拉力值呈鋸齒形變化，樁頂處的土工格柵拉力大于樁間土處的土工格柵拉力，在整個路堤斷面上筋材受力相對均勻，加筋作用得到充分發(fā)揮。土工格柵在靠近路堤中部范圍內(nèi)的軸力比較大，而在靠近路堤坡腳處的軸力逐漸減小至0，即土工格柵在路堤中部發(fā)揮的作用比較大，在坡腳處發(fā)揮的作用較小。土工格柵是通過與土體之間的摩擦來發(fā)揮作用的，這種摩擦作用的大小取決于作用點正應(yīng)力的高低，填方高度大的路堤中部正應(yīng)力明顯大于兩側(cè)，能夠提供的摩阻力越大。

3.4 穩(wěn)定安全系數(shù)

不同加固措施下的穩(wěn)定安全系數(shù)的發(fā)展見表2。天然地基、加筋墊層、復(fù)合地基及加筋墊層+復(fù)合地基分別用編號①～④代替。

表2 各工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)

從表2可以看出，不同加固形式下的穩(wěn)定安全系數(shù)有相同的變化趨勢，都隨路堤填筑高度的增加而減小。在路堤填筑完成之后，隨著路基固結(jié)，穩(wěn)定安全系數(shù)有所增大。加筋墊層加固與天然地基上填筑路堤時相比，安全系數(shù)有大幅度的提高。加筋墊層聯(lián)合加筋碎石樁復(fù)合地基處治軟基時路堤穩(wěn)定安全系數(shù)也明顯大于僅使用加筋碎石樁復(fù)合地基處理時的安全系數(shù)。土工合成材料加筋墊層對提高路堤穩(wěn)定性有重要作用。

4 結(jié)語

運用有限元法對比分析了不同加固措施對地基和路堤穩(wěn)定性和變形的影響，得出以下結(jié)論：

1)采用加筋墊層，筋材與土產(chǎn)生摩擦作用，使土工格柵上下兩側(cè)的土顆粒受到約束，能夠限制土體的側(cè)向變形，特別是對淺層軟土地基的水平位移有明顯約束作用。

2)加筋土墊層的應(yīng)力擴散作用使傳遞到墊層下的豎向應(yīng)力減小，使地基表面土壓力分布趨于均勻，有利于減小地基土的剪切變形；筋土之間的摩擦力使水平位移減小，間接地減小了地基豎向變形，從而減小路堤中部的最大沉降量，使差異沉降減小。

3)在路堤底部鋪設(shè)加筋墊層對于改善路堤及地基變形特性和提高軟弱地基的承載力方面均起了積極的作用。由于加筋約束了地基的側(cè)向位移，有利于降低路堤的沉降和不均勻沉降，有效地提高了地基的承載力，有利于道路的安全使用。

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Abstract： Combining with engineering example, finite element software Plaxis was used to analyse the stability and deformation of embankment when it reinforced or non-reinforced with geogrid. The results show that setting basal reinforcement at the bottom of the embankment could reduce the total and differential settlement, lateral displacement, and improve the overall stability of embankment.

Key words: highway, basal reinforcement, embankment, finite element analysis

Finite element analysis of basal reinforced embankments

Zhou Juan

(KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

2016-03-18

周 娟(1989- )，女，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0138-02

U416.12

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