土工格柵在巖溶區(qū)路基上的應(yīng)用研究

林燕紫

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

土工格柵在巖溶區(qū)路基上的應(yīng)用研究

林燕紫

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

巖溶溶洞災(zāi)害是交通建設(shè)主要工程地質(zhì)問題之一，采用土工格柵加筋處治方法能夠有效降低巖溶坍塌風(fēng)險(xiǎn)。文章采用PLAXIS2D有限元軟件，將溶洞上方加筋體劃分為臨空段、過渡段及錨固段3個受力特征段，研究巖溶區(qū)加筋路堤的位移、應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，在溶洞坍塌后，臨空段上方路基荷載通過土拱效應(yīng)傳遞到錨固段，能夠有效防止巖溶突然坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

巖溶溶洞；加筋路堤；數(shù)值分析；土拱效應(yīng)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國對公路交通設(shè)施的需求越來越大。巖溶地形在中國尤其是在南方地區(qū)分布廣泛，加上公路工程線路長，不可避免地要穿越巖溶發(fā)育區(qū)。由于巖溶作用導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)破壞，形成不同形狀的溶洞或土洞，從而引起巖土體強(qiáng)度降低[1]。已有資料表明[2-3]，由于溶洞地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其力學(xué)特征、規(guī)模相差較大，存在很多不確定因素，導(dǎo)致路基在車輛荷載作用下會產(chǎn)生近似圓柱形的地陷破壞，對交通及人身安全造成了極大的危害，有必要采用經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)措施對其進(jìn)行防治，如圖1所示。

(a)浙江黃衢南高速公路車道塌 (b)危地馬拉首都地陷圖1 地層地陷典型破壞模式[4]

近年來，土工合成材料在土木工程中的應(yīng)用，為巖溶區(qū)路基處理開辟了新的途徑。土工合成材料是各種合成纖維的統(tǒng)稱，例如土工格柵、土工網(wǎng)、土工模袋、土工網(wǎng)墊和土工帶，復(fù)合土工膜，膨潤土防水毯，復(fù)合排水網(wǎng)等。土工格柵就是一種片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有抗拉強(qiáng)度高，變形模量大，將其埋入土體中，可以改善土體的受力條件，增強(qiáng)地基的承載力，提高地基的整體穩(wěn)定性，因此，其在巖溶區(qū)道路工程中得到廣泛應(yīng)用[5]。國外學(xué)者對此類問題的研究開展得較早，如Bonaparte[6]對美國賓夕法尼亞州某公路的水平加筋路堤性狀進(jìn)行了分析。Briancon 等[7]采用土工格柵對溶洞上路堤進(jìn)行了水平加筋，并提出相應(yīng)的分析方法。國內(nèi)學(xué)者對巖溶區(qū)加筋路堤進(jìn)行了一定研究，如朱斌等[8]建立了抗空洞塌陷的水平加筋體設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了水平加筋體變形影響因素分析。王芳洪[9]采用多層土工加筋體設(shè)計(jì)巖溶路基，并對土工格柵的變形和土拱效應(yīng)的發(fā)揮開展研究。研究表明，巖溶區(qū)路基采用土工格柵處治地層地陷風(fēng)險(xiǎn)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，是一種較為理想的技術(shù)措施。

本文基于土工格柵的工程特性，進(jìn)一步分析了溶洞上方加筋體的受力特征，并采用PLAXIS2D有限元軟件，對巖溶區(qū)加筋路基開展了數(shù)值分析。

2 土工格柵的工程特性

2.1 物理性質(zhì)

土工格柵是柔性材料，其主要優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度高、整體連續(xù)性好、能與土體很好地結(jié)合、抗腐蝕性好、抗老化性高。由于土體的抗拉性能差，通常在土中鋪設(shè)土工格柵以阻止土體的變形，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

土工格柵的物理性質(zhì)指標(biāo)有單位面積質(zhì)量、厚度和開孔尺寸。采用土工格柵每平方米的質(zhì)量表示單位面積質(zhì)量，一般取值范圍為0.1kg/m2～1.0kg/m2。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

土工格柵具有明顯的粘彈性，其力學(xué)特性的影響因素較多，主要力學(xué)指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和徐變性等。試驗(yàn)研究表明，土工格柵的抗拉強(qiáng)度受溫度影響較大。表1為不同溫度條件下土工格柵的抗拉強(qiáng)度值。土工格柵抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低。如果單獨(dú)考慮溫度作用，土工格柵的溫度變形系數(shù)較大，一般不會發(fā)生整體變形破壞，但實(shí)際施工過程中可能發(fā)生局部不均勻變形。

表1 不同溫度下土工格柵抗拉強(qiáng)度

2.3 水理性質(zhì)

土工格柵的水理性質(zhì)主要用導(dǎo)水率表示。導(dǎo)水率一般是指水平向和垂直向的透水性。大部分土工格柵的導(dǎo)水率很小，一般為10-6m2/s～10-5m2/s。

3 溶洞上方加筋體受力特征段

采用水平加筋體處治溶洞上方路堤塌陷時，加筋體將失去原有地基支撐，變?yōu)榕R空段，如圖2所示。臨空段上方的水平加筋體受到車輛荷載和土壓力的作用發(fā)生變形，加筋體產(chǎn)生的拉力與上部荷載平衡，該拉力通過加筋體與過渡段、錨固段之間的摩擦阻力傳遞給土體。因此，水平加筋體受力特征段分為臨空段、過渡段及錨固段三部分。

圖2 巖溶塌陷上方加筋體受力圖

4 巖溶區(qū)加筋路堤數(shù)值模擬

4.1 幾何模型建立

采用PLAXIS2D有限元軟件模擬巖溶上方加筋路堤。加筋路基由路堤填土、土工格柵和地基土組成。路面寬度16m，路堤填土高度4m，路堤坡度1∶3。塌陷區(qū)寬度2m，地基厚度6m，寬度80m，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

路堤填土和地基土采用Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)如表2所示。加筋體采用PLAXIS中的土工格柵單元，用彈塑性本構(gòu)模型模擬。

表2 土體參數(shù)

4.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖4為溶洞坍塌后加筋路堤土體豎向位移云圖。從圖中可看出，溶洞上方土體呈現(xiàn)明顯的位移拱，與Benmebarek等[10]發(fā)現(xiàn)的“土拱效應(yīng)”一致。土工效應(yīng)與土體間的相對位移密切相關(guān)，加筋體錨固段土體未發(fā)生明顯相對位移則無土拱效應(yīng)產(chǎn)生。加筋體臨空段上方土體發(fā)生顯著下沉，上部荷載通過土體間剪應(yīng)力傳遞到加筋體過渡段，引起土拱效應(yīng)。

圖4 豎向位移云圖

圖5為溶洞坍塌后加筋路堤土體主應(yīng)力分布。與豎向位移拱相似，在加筋體臨空段和過渡段出現(xiàn)了主應(yīng)力拱。臨空段上方主應(yīng)力減小，過渡段主應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生應(yīng)力拱。

溶洞坍塌后，路堤中的土拱效應(yīng)導(dǎo)致臨空段上方加筋體豎向應(yīng)力低于路堤填土豎向自重應(yīng)力，錨固段上方加筋體豎向應(yīng)力高于路堤填土豎向自重應(yīng)力，臨空段上方路基荷載通過土拱效應(yīng)傳遞到錨固段[11]。因此，采用水平加筋能夠較好地處理巖溶坍塌問題。

圖5 主應(yīng)力分布

圖6為加筋路堤和無加筋路堤的土體豎向位移。從圖中可看出：①加筋體上土體豎向位移的分布是不均勻的，隨著距溶洞中心距離增加，加筋體上土體豎向位移逐漸減小，呈現(xiàn)出拋物線形分布規(guī)律。這主要是距溶洞中心距離的增加，錨固段的主應(yīng)力先快速減小而后趨于平緩，呈現(xiàn)指數(shù)衰減的緣故[12]。②加筋路堤的豎向位移明顯低于無加筋路堤的豎向位移，說明在巖溶區(qū)采用水平加筋體能夠防止巖溶突然坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 加筋體上土體豎向位移

5 結(jié)論

(1)對巖溶區(qū)加筋體受力特征段分為臨空段、過渡段及錨固段三部分。水平加筋體臨空段的拉力經(jīng)過渡段及錨固段的摩阻力傳遞給土體。

(2)采用鋪設(shè)土工格柵加筋墊層的方法加固巖溶區(qū)路基，在溶洞坍塌后，臨空段上方路基荷載通過土拱效應(yīng)傳遞到錨固段，能夠有效防止巖溶突然坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

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Applied research of geosynthetic reinforced embankment in karst areas

LINYanzi

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research, Fuzhou 350001)

Disaster caused by the cave is one of the primary matter for the road project at Karst area. It is often necessary to implement geosynthetics to reduce risk of sinkhole for roadbed engineering in karst areas. The reinforcement is considered composing of three portions which are portion above Karst cave, changeover portion and anchored portion adjacent to Karst cave. In this paper，the displacements and stresses in both embankment and geosynthetics were analyzed in detail based on the numerical simulation results by PLAXIS2D. Results indicate that embankment load through the soil arching effect is passed to the anchored portion adjacent to Karst cave, and geosynthetics could be used for reinforcing embankment subjected to the influence of potential localized karst collapse.

Karst cave; Geosynthetic reinforced embankment; Numerical analysis; Soil arching effect

林燕紫(1988.10- )，男，工程師。

E-mail:2529899854@qq.com

2017-04-28

U416

A

1004-6135(2017)09-0076-03