土工格柵加筋路基沉降和應(yīng)力的數(shù)值分析

徐曉波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

土體在自重荷載以及行車荷載的作用下主要是依靠其自身的抗剪強(qiáng)度承受荷載抵抗變形并保持穩(wěn)定性。因此，要想提高土體的強(qiáng)度必須通過(guò)一定的手段提高其抗剪切強(qiáng)度，布設(shè)土工格柵材料就是其中的一種方法。土工格柵加筋路基主要是利用設(shè)置在路基底部的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定的土工合成材料與土體之間的相互作用加固土體，從而提高路基的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度，抑制路基的變形。正是由于土工格柵的諸多優(yōu)點(diǎn)，在近些年的工程實(shí)踐中獲得了大量的應(yīng)用，很多學(xué)者也對(duì)土工格柵進(jìn)行了大量的研究,主要研究方法包括室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值分析。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

針對(duì)某實(shí)際工程，本研究建立了有限元模型，路堤高度4 m，基頂寬度為28 m，邊坡坡度為1∶1.5，坡腳處向兩側(cè)延伸9 m，路基計(jì)算深度為20 m，土層共分3層，自上而下分別是0.5 m砂土墊層，8.5 m淤泥質(zhì)黏土，11 m的粉質(zhì)黏土，土工格柵布設(shè)在路堤底部，如圖1所示為最終劃分的網(wǎng)格圖。

圖1 路基模型

1.2 模型參數(shù)

本構(gòu)模型的選擇對(duì)于數(shù)值計(jì)算的效率以及結(jié)果的準(zhǔn)確性影響重大。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地質(zhì)資料，并參考相關(guān)的計(jì)算資料與文獻(xiàn)，利用Drucker-Prage模型模擬路堤填土，淤泥質(zhì)黏土以及粉質(zhì)黏土，利用彈性模型模擬砂土墊層以及路面材料，同時(shí)，參考已有研究，取土工格柵的彈性模量為38.7 GPa，截面積為1.5×10-4m2，模型的具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

1.3 邊界與接觸

路基的底部為固定端約束，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，底限水位線位于地基以下1.5 m，因此底部與兩側(cè)同時(shí)設(shè)置為不透水條件，地基表面為透水邊界。土工格柵材料與路基土體之間通過(guò)設(shè)置路堤為主區(qū)，格柵材料為嵌入?yún)^(qū)的操作來(lái)設(shè)置接觸。

1.4 荷載施加

模型計(jì)算的荷載施加曲線如圖2所示，前8個(gè)月進(jìn)行路堤的填筑，每個(gè)月填筑1 m后固結(jié)1個(gè)月，路堤都填筑結(jié)束后90 d進(jìn)行固結(jié)與預(yù)壓，之后進(jìn)行路面的施工結(jié)束后固結(jié)。

圖2 加載曲線

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 土工格柵路基內(nèi)的沉降與應(yīng)力

符合服役期間所必需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是對(duì)路基最基本的要求，具體而言，體現(xiàn)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的主要指標(biāo)包括應(yīng)力分布和變形。針對(duì)土工格柵的加筋作用，同樣需要從路基的豎向沉降和應(yīng)力分布兩個(gè)方面進(jìn)行研究。如圖3所示為布設(shè)土工格柵材料后路堤的豎向沉降云圖，與一般的路基沉降相同，路堤體中心處的沉降最大，出現(xiàn)了明顯的沉降盆，可以發(fā)現(xiàn)，在土工格柵材料上下的沉降分布有著一定的差異，這種差異的原因正是由于土工格柵的調(diào)節(jié)沉降作用。

圖3 布設(shè)土工格柵路基沉降

圖4為布設(shè)土工格柵材料后路堤的豎向應(yīng)力云圖，可以很清楚地看到，隨著路基深度的增加，豎向應(yīng)力也在不斷地增加并且成層分布，在格柵周圍的圖層中的壓力等高線有著明顯的錯(cuò)動(dòng)，特別是格柵上下土層中的應(yīng)力值存在著明顯的差異，這恰恰說(shuō)明了土工格柵材料可以利用自身所具有的高強(qiáng)度以及與土體的接觸改變路基中的應(yīng)力分布，使路基的受力減小，起到增加路基土強(qiáng)度的作用。

圖4 布設(shè)土工格柵路基豎向應(yīng)力

2.2 加設(shè)土工格柵前后的效果

為了進(jìn)一步說(shuō)明土工格柵的作用，有必要對(duì)于布設(shè)土工格柵材料前后路基的主要性能進(jìn)行對(duì)比。如圖5所示為布設(shè)土工格柵前后的地基表面路堤中心線處沉降的數(shù)值模型計(jì)算值，隨著時(shí)間的增加，路堤的沉降均不斷增加并最終趨于穩(wěn)定，值得注意的是，布設(shè)土工格柵后路堤的沉降明顯減小，最終的沉降由布設(shè)土工格柵前的28 cm降低到了24 cm，降低了14.3%，說(shuō)明了土工格柵能夠很好地抑制路基的沉降，進(jìn)而調(diào)節(jié)不均勻沉降，這對(duì)于提高路基的整體穩(wěn)定性，保證行車的安全性意義重大。

圖5 布設(shè)土工格柵前后路堤中心點(diǎn)沉降

圖6為布設(shè)土工格柵前后的地基表面基地下不同深度處的豎向應(yīng)力曲線。隨著深度的增加，豎向應(yīng)力不斷增大，土工格柵的存在使得相同深度處的豎向應(yīng)力明顯減小，對(duì)于相同深度處的土體受到的應(yīng)力的減小幅度值相等，約為27.3%，說(shuō)明土工格柵材料能夠很好地調(diào)節(jié)地基中的應(yīng)力分布，進(jìn)而增加路基的強(qiáng)度，提高路基的穩(wěn)定性。

圖6 布設(shè)土格柵基地下豎向應(yīng)力圖

3 結(jié)論

針對(duì)土工格柵材料加固路基的作用效果與機(jī)理，通過(guò)有限元的方法進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)比布設(shè)土工格柵前后路基內(nèi)的沉降以及豎向應(yīng)力云圖，表明土工格柵的存在并沒(méi)有改變路基中應(yīng)力與沉降分布的總體特性，只是起到了調(diào)節(jié)的作用，但是在土工格柵上下處明顯改變了路基中的應(yīng)力以及沉降的分布。通過(guò)分析表明路基中心線處的沉降發(fā)展表明土工格柵可以抑制約14.3%的沉降，減小27.3%的地基土體的豎向應(yīng)力。