山區(qū)超高加筋土路基力學(xué)行為的有限元分析

任非凡，徐 超，許 強(qiáng)，王 冠

(1.同濟(jì)大學(xué) a.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.地下建筑與工程系，上海 200092;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;3.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

1 研究背景

在山嶺地區(qū)修建高速公路時(shí)，由于選線的限制，為滿足高速公路的等級(jí)需保證線路一定的起伏度和彎曲度，特別在通過(guò)一些長(zhǎng)度較短的高邊坡時(shí)，最常采用的是填方的高路堤方案，這種方案通過(guò)長(zhǎng)度較短的高邊坡是比較經(jīng)濟(jì)和適宜環(huán)境的合理措施。然而，采用普通土的填方高路堤方案時(shí)，需要大量的填土和占地，還可能存在環(huán)境問(wèn)題。隨著加筋土技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的加筋土路基被建設(shè)單位所采用［1－6］。但目前對(duì)加筋土路基力學(xué)行為的研究大多局限在一定的高度內(nèi)，且以軟土地區(qū)加筋土路基居多［7－12］，對(duì)山區(qū)超高加筋土路基力學(xué)行為的研究并不多見(jiàn)。鑒于此，本文擬以湖北省十房(十堰至房縣高速公路，簡(jiǎn)稱十房)高速公路為例，采用彈塑性有限元程序?qū)r質(zhì)地區(qū)超高加筋土路基的典型斷面進(jìn)行模擬分析，以了解現(xiàn)設(shè)計(jì)方案可能存在的隱患，以及加筋土路基將會(huì)發(fā)生的變形特征、應(yīng)力分布特征和加筋受力情形，為確定超高加筋土路基設(shè)計(jì)方案提供參考。

2 工程概況

十房高速公路位于鄂西北十堰市東南部，起于武漢至十堰高速公路丹江口市六里坪鎮(zhèn)，沿G209向南延伸，止于房縣城關(guān)鎮(zhèn)。屬秦巴山東部武當(dāng)元古界變質(zhì)巖區(qū)域，相對(duì)高差約950m，山高谷深，坡體陡峻，巖性多變，地形地質(zhì)極為復(fù)雜。

由于填筑的路基中段跨越一沖溝，沖溝與路線呈大角度相交，因此填筑后的路基呈現(xiàn)出中間路堤高，兩端路堤低，甚至需要局部淺挖的挖方路基，路堤填筑高度不同斷面變化很大。根據(jù)湖北省交通工程規(guī)劃設(shè)計(jì)院提供的加筋路堤初步設(shè)計(jì)方案，即湖北省十堰至房縣設(shè)計(jì)圖，加筋路堤依地勢(shì)不同、填筑高度的差異，采用不同坡率的加筋土邊坡或加筋土擋墻路基方案。由于路基填筑高度大，且原始邊坡較陡，為滿足加筋土路基的整體穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)方案中，在加筋路基底部需開(kāi)挖至穩(wěn)定巖層，然后設(shè)置一定厚度的砌石混凝土平臺(tái)作為加筋土路基的基礎(chǔ)。另外，根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范，按Bishop圓弧法和不平衡推力法進(jìn)行驗(yàn)算，未加筋路基斷面大部分不滿足穩(wěn)定性要求，經(jīng)加筋加固后方可滿足規(guī)范要求的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 數(shù)值模型

由于巖土工程問(wèn)題的非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性以及復(fù)雜的加卸載條件和邊界條件，使得巖土工程問(wèn)題通常無(wú)法使用解析方法進(jìn)行求解。數(shù)值分析方法則能夠模擬巖土工程的復(fù)雜力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性，隨著經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，數(shù)值模擬已成為研究和認(rèn)識(shí)巖土工程問(wèn)題的有效工具之一。本文擬采用ABAQUS有限元程序?qū)Τ呒咏钔谅坊牧W(xué)行為進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 剖面的選擇

針對(duì)十房高速公路的超高加筋土路基，本次選擇GK0+379斷面作為分析研究對(duì)象。該斷面路基填筑高度達(dá)26.2m，坡率為1∶0.25。受該處地形地勢(shì)限制及加筋土擋墻整體穩(wěn)定性需要，路基下部采用混凝土圬工擋土墻進(jìn)行修筑，墻高15.2m，墻后采用砂土進(jìn)行回填并夯實(shí)，之后進(jìn)行加筋土擋墻的修筑。所選擇的斷面基本代表本段填方路基最復(fù)雜和最危險(xiǎn)的斷面。

在利用ABAQUS建立加筋土擋墻二維數(shù)值模型時(shí)，為避免邊界效應(yīng)，模型長(zhǎng)40m，高35.4m。在模擬區(qū)域左右兩側(cè)設(shè)置水平位移0邊界，下部設(shè)置垂直位移0邊界。

在模擬范圍內(nèi)，主要采用四邊形網(wǎng)格對(duì)模擬介質(zhì)(巖土層)進(jìn)行劃分，并對(duì)加筋體的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，考慮巖質(zhì)地基剛度較大及墻后土壓力較小，采用tie命令將加筋體置于填土中［13］。圖1給出了加筋土路基GK0+379斷面的網(wǎng)格劃分圖。

圖1 GK0+379斷面網(wǎng)格模型圖Fig.1 Model of the section GK0+379

3.2 材料本構(gòu)關(guān)系與參數(shù)選取

在采用數(shù)值模型模擬巖土介質(zhì)和擋土結(jié)構(gòu)時(shí)，模擬對(duì)象的本構(gòu)關(guān)系和模型參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果起著決定性的作用。本文對(duì)模擬對(duì)象區(qū)分為巖體(即中風(fēng)化及以下巖體)、回填土、混凝土擋墻和加筋體，考慮到巖體的承載力較大且剛度很高，采用彈性材料進(jìn)行模擬，其他材料均采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，但材料參數(shù)差別很大。各種材料介質(zhì)的模型參數(shù)見(jiàn)表1。模型對(duì)加筋體采用彈性桿件truss單元模擬，彈性模量取2.0×1010Pa，屈服強(qiáng)度為25 000～35 000 N/m。

表1 數(shù)值模擬各介質(zhì)的模型參數(shù)表Table 1 Model parameters of numerical mediums

3.3 模擬步驟

為真實(shí)反應(yīng)加筋土擋墻的受力變形規(guī)律，本次模擬步驟嚴(yán)格按照施工順序進(jìn)行，即:① 巖石地應(yīng)力平衡;②巖體開(kāi)挖并修筑混凝土擋墻;③ 墻后填土并壓實(shí);④修筑加筋土擋墻。

4 結(jié)果與分析

圖2為GK0+379斷面處加筋土路基的水平位移和垂直位移分布圖。從圖2(a)可以看出，相對(duì)于巖石邊坡，填方區(qū)域產(chǎn)生了較大的水平位移，最大值為1.640cm。從圖2(b)可以看出，填方區(qū)域產(chǎn)生一定的沉降，最大值為3.616cm，發(fā)生在填方路基上部未加筋區(qū)域。從這一計(jì)算結(jié)果分析，可以認(rèn)為此加筋土擋墻的變形整體上不大，說(shuō)明通過(guò)控制填方施工質(zhì)量，可以把加筋土邊坡的變形控制在合理的范圍內(nèi)。

圖2 加筋土路基水平位移和垂直位移分布圖Fig.2 Horizontal and vertical displacements of the reinforced embankment

圖3(a)給出了GK0+379斷面處加筋土路基局部細(xì)觀水平土壓力分布圖。由圖可知，在混凝土圬工擋墻與墻后填土底部接觸處，產(chǎn)生了一定程度的拉應(yīng)力集中，最大值達(dá)到約171kPa，說(shuō)明混凝土圬工擋墻墻踵處在后部填土及上部加筋土擋墻的作用下承受較大的水平推力。而在混凝土圬工擋墻墻趾處出現(xiàn)一定的壓應(yīng)力集中，最大值為256kPa。由此可見(jiàn)混凝土圬工擋墻受力模式類似懸臂梁受力。

圖3(b)給出了GK0+379斷面處加筋土路基局部細(xì)觀垂直土壓力分布圖。由圖可知，路基內(nèi)豎向土壓力分布正常，基本取決于自重應(yīng)力，混凝土圬工擋墻墻趾處豎向應(yīng)力最大，約為645kPa。另外，圖3(c)給出了該斷面處加筋土路基局部細(xì)觀剪切土壓力分布圖。由圖可知，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在混凝土圬工擋墻的墻趾處，約為246kPa。因此，考慮混凝土圬工擋墻基礎(chǔ)下承受的合力，則要求在進(jìn)行基礎(chǔ)施工前，應(yīng)開(kāi)挖掉表層坡積層和填土，將混凝土圬工擋墻基礎(chǔ)置于牢固的基巖地基上;同時(shí)要求擋墻基礎(chǔ)施工保證質(zhì)量，使得基礎(chǔ)有足夠的強(qiáng)度，承受來(lái)自上部加筋土路基傳遞的荷載。

圖3 加筋土路基局部細(xì)觀土壓力分布圖Fig.3 Local mesoscopic soil pressures of the reinforced embankment

圖4 不同加筋層軸力分布圖Fig.4 Axial force distribution of different reinforced layers

圖4給出了加筋土路基內(nèi)從下到上即第1層到第21層加筋體的軸力分布圖。從圖中可知，上部7層土工格柵受力很小，中間7層僅墻面至4m段受到一定程度的拉應(yīng)力，底部7層受力較大，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在第3層端部，為53.8MPa，合19.6 kN/m。從圖4(c)可見(jiàn)，底部5層格柵受下部混凝土圬工擋墻和墻后填土不同剛度影響，產(chǎn)生一定的不均勻沉降，表現(xiàn)為中/后端受壓力作用，最大值為40.2MPa，合14.7 kN/m?？紤]設(shè)計(jì)中采用單向土工格柵HDPE90作為加筋材料，其極限強(qiáng)度為90 kN/m，使用3～4的折減系數(shù)，則土工格柵抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值為22.5～30 kN/m。因此，可以認(rèn)為，對(duì)于GK0+379斷面加筋土路基，加筋材料的抗拉強(qiáng)度滿足要求。

圖5(a)、(b)分別為加筋土路基內(nèi)不同高程處加筋體的水平位移和垂直位移分布等值線圖。從圖5(a)可見(jiàn)，最大水平位移值出現(xiàn)在路基中部(第11層端部)，為1.567cm;最小值位于底部第1層，為0.093mm。由圖5(b)可見(jiàn)，自上而下加筋體的垂直位移逐漸減小，頂部格柵(第21層)的沉降量最大，為3.592cm，而且相對(duì)均勻;底部格柵(第1層)的沉降量最小，為0.107mm。因此，可以認(rèn)為不同高程中的沉降差主要由填土壓縮所致。分析結(jié)果表明，加筋土擋墻的水平位移與豎向位移不大，邊坡整體上穩(wěn)定。

圖5 不同加筋層的水平位移和垂直位移分布圖Fig.5 Horizontal and vertical displacement distribution of different reinforced layers

5 結(jié)論與建議

從對(duì)本次的數(shù)值模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論:

(1)十房高速公路采用加筋土路基，只要保證填土質(zhì)量和加筋材料的正常鋪設(shè)，其墻體變形(沉降和側(cè)向位移)可控制在10cm以內(nèi)，能夠滿足路基工后變形的要求。

(2)加筋體內(nèi)及加筋體后填土內(nèi)側(cè)向土壓力不大，垂直土壓力主要為填土自重應(yīng)力。

(3)加筋土路基底部混凝土圬工擋墻承受較大的側(cè)向壓力，基礎(chǔ)底部地基上承受的壓力較大。

(4)加筋體所受最大拉力出現(xiàn)在路基底部，墻面最大水平位移出現(xiàn)在路基中部。

就以上基于數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)的相關(guān)結(jié)論，對(duì)土工格柵加筋土路基設(shè)計(jì)方案提出如下建議:

(1)土工格柵加筋土路基下所設(shè)置的混凝土圬工擋墻施工時(shí)，應(yīng)進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)槽，基礎(chǔ)平臺(tái)應(yīng)放置在基巖之上，且應(yīng)有一定的埋置深度。

(2)底部格柵后端承受一定的壓應(yīng)力，可通過(guò)對(duì)混凝土圬工擋墻后的填土進(jìn)行壓實(shí)控制。

［1］莫介臻，何光春，汪承志，等.臺(tái)階式格柵加筋擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(5):52－58.(MO Jie-zhen，HE Guang-chun，WANG Chengzhi，etal.Study on a Stepped Retaining Wall with Geogrid Reinforcement by Using Site Test and Numerical Analysis［J］.China Civil Engineering Journal，2008，41(5):52－58.(in Chinese))

［2］楊萬(wàn)林，余 靜.加筋土技術(shù)在山區(qū)高速公路高路堤中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2005，19(4):15－17.(YANG Wan-lin，YU Jing.Application of Reinforcement Earth in High Embankment of Hilly Regional Superhighway［J］.Soil Engineering and Foundation，2005，19(4):15－17.(in Chinese))

［3］張 弢.土工格室處治山區(qū)高填方加寬路堤試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2010，30(2):51－54.(ZHANG Tao.Experimental Study on Geocell Reinforced High and Widen Embankment in Mountainous Area［J］.Journal of China and Foreign Highway，2010，30(2):51－54.(in Chinese))

［4］王家全，周 健，叢 林，等.高填方加筋新舊路堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增 1):2943－2950.(WANG Jia-quan，ZHOU Jian，CONG Lin，etal.Analysis between Numerical and Field Tests of High Fill Reinforced Widening Embankment［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(Sup.1):2943－2950.(in Chinese))

［5］包承綱，汪明遠(yuǎn)，丁金華.格柵加筋土工作機(jī)理的試驗(yàn)研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013，30(1):34－41.(BAO Cheng-gang，WANG Ming-yuan，DING Jin-hua.Mechanism of Soil Reinforced with Geogrid［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2013，30(1):34－41.(in Chinese))

［6］丁金華，周武華，劉 軍，等.土工格柵對(duì)膨脹巖吸濕變形規(guī)律的影響研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26(11):31－36.(DING Jin-hua ，ZHOU Wu-hua，LIU Jun，etal.Test Research on Deformation Law of Expansive Rock Water-absorbing with Geogrid Reinforcement［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(11):31－36.(in Chinese))

［7］羊 曄，劉松玉，鄧永鋒.加筋路基處治不均勻沉降模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(3):703－706.(YANG Ye，LIU Song-yu，DENG Yong-feng.Effect of Reinforced Subgrade on Differential Settlement by Model Test Research［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(3):703－706.(in Chinese))

［8］付海峰，閆澍旺，舒曉武.加筋及灌漿聯(lián)合處理軟土地基在路基加寬中的應(yīng)用和分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1):197－200.(FU Hai-feng，YAN Shu-wang，SHU Xiao-wu.Application and Analysis of Reinforcement and Grouting Combined Treating Soft Foundation Widening Project［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(1):197－200.(in Chinese))

［9］陳建峰，葉鐵鋒，俞松波，等.軟土地基加筋石灰土路堤離心模型試驗(yàn)數(shù)值模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(9):1939－1944.(CHEN Jian-feng，YE Tiefeng，YUSong-bo，etal.Numerical Simulation of Centrifugal Model Test on Reinforced Embankment with Lime-Stabilized Soil as Backfill on Soft Clay Foundation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(9):1939－1944.(in Chinese))

［10］宋 廣，邊學(xué)成，蔣建群，等.公路加筋路基的變形和承載力分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(5):653－658.(SONG Guang，BIAN Xue-cheng，JIANG Jian-qun，etal.Deformation Behavior sand Bearing Capacity of Geosynthetics Reinforced Pavement［J］.Journal of Shanghai Jiao Tong University，2011，45(5):653－658.(in Chinese))

［11］劉金龍，欒茂田，王吉利，等.土工織物加固軟土路基的機(jī)理分析［J］.巖土力學(xué)，2007，28(5):1009－1014.(LIU Jin-long，LUAN Mao-tian，WANG Ji-li，etal.Mechanism of Road Embankment Reinforced with Geotextile［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(5):1009－1014.(in Chinese))

［12］陳周與，馬時(shí)冬.超軟地基上土工布加筋土擋墻的試驗(yàn)研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2001，18(6):29－32.(CHEN Zhou-yu，MA Shi-dong.Experimental Study on Reinforced Retaining Wall by Artificial Textile on Super Soft Soil Foundation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2001，18(6):29－32.(in Chinese))

［13］YANG K，LIU C.Finite Element Analysis of Earth Pressures for Narrow Retaining Walls［J］.Journal of GeoEngineering，2007，2(2):43－52.