HDPE和PET土工格柵加筋路堤作用的對(duì)比研究

賈敏才 ，強(qiáng) 曉，葉建忠

（1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

1 引 言

土工格柵普遍具有韌性好，耐腐蝕，抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，有顯著提高路堤整體抗滑穩(wěn)定性和控制水平變形的能力，近年來(lái)土工格柵加筋路堤在水利、交通、城建等多個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛利用。

在國(guó)內(nèi)的路堤工程建設(shè)中，HDPE格柵的應(yīng)用較為廣泛，針對(duì)HDPE格柵材料在路堤中的受力、變形狀態(tài)的研究正日趨成熟，其中一種既直觀又有效的研究手段就是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。楊廣慶等[3－4]通過(guò)對(duì)加筋路堤的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，指出土工格柵拉筋應(yīng)變隨著墻體高度變化較大。王祥等[5]對(duì)路堤式加筋填土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各層拉筋變形規(guī)律相差較大，可能出現(xiàn)單峰值、雙峰值或者多峰值現(xiàn)象。賈敏才等[6]結(jié)合具體工程對(duì)一50 m高土工格柵加筋路堤的格柵應(yīng)變及土壓力特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)格柵應(yīng)變呈雙峰值分布，且對(duì)垂直和水平土壓力具有明顯調(diào)整作用?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雖然能直觀表現(xiàn)出HDPE格柵受力變形的大體規(guī)律，但因現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)影響因素復(fù)雜，在深入揭示格柵作用機(jī)制方面受到一定的局限。

20世紀(jì)70年代起數(shù)值方法逐漸成為研究土工格柵加筋土復(fù)雜力學(xué)特性的有效手段。劉華北[7]采用廣義塑性模型，利用彈塑性有限元的方法，研究了土工格柵加筋擋土墻在修建過(guò)程的力學(xué)特性。彭芳樂(lè)等[8]采用非相關(guān)流動(dòng)的等向功硬化-軟化彈塑性模型，研究了加筋砂土路堤中筋材層數(shù)的變化對(duì)加筋效果的影響。這些研究多專注于對(duì)HDPE格柵在不同土體性狀或者不同筋材數(shù)量等條件下的作用特性，對(duì)其他材料土工格柵作用效果的研究相對(duì)較少。

PET和 HDPE格柵材料都具有較好的抗拉強(qiáng)度、電絕緣性和耐腐蝕性，但PET材料相對(duì)HDPE具有更大的剛度、較小的延伸率和更小的施工破損率[9]。近年來(lái)，隨著國(guó)外的一些工程成功應(yīng)用PET格柵進(jìn)行壩體加固，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始嘗試在路堤工程中應(yīng)用PET格柵并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究[10－11]。

本文采用FLAC3D有限差分程序[12]對(duì)PET和HDPE兩種格柵的受力變形特性進(jìn)行模擬，結(jié)合十堰至房縣公路 GK0+308～GK0+463段路堤工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)HDPE和PET兩種土工格柵加筋作用進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，闡述了兩種格柵在拉伸應(yīng)變、控制土體水平位移和土壓力等方面的不同，并對(duì)二者的強(qiáng)度發(fā)揮差異進(jìn)行了深入探討。

2 工程概況

十堰－房縣公路 GK0+308～GK0+463段位于丹江口市官山鎮(zhèn)附近。填土層下部13.5 m采用混凝土重力式路堤，上部10 m采用土工格柵加筋路堤，路堤填料為山皮土，顆粒最大粒徑小于15 cm。路堤設(shè)計(jì)坡率1︰0.25，格柵豎向間距為50 cm，加筋長(zhǎng)9 m。加筋土路基坡面采用土工格柵反包回折，反包長(zhǎng)1 m，防止施工時(shí)土體散落和坡面塌滑。為了對(duì)比 PET和 HDPE兩種格柵的加筋效果，在GK0+308～GK0+383段采用 HDPE格柵加筋，而在GK0+383～GK0+463段采用PET格柵加筋，兩種格柵的材料特性見(jiàn)表1。

表1 PET/HDPE土工格柵技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indices of PET/HDPE geogrids

3 本構(gòu)模型

3.1 土體模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模型高30 m，寬50 m，長(zhǎng)100 m，混凝土擋墻和加筋填土的高度與坡度和實(shí)際相同。山皮土采用FLAC3D內(nèi)置的摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。混凝土擋墻及基巖采用彈性模型。填土、混凝土擋墻以及基巖的材料參數(shù)見(jiàn)表 2，模型見(jiàn)圖1。

表2 路堤模型參數(shù)Table 2 Parameters of contitutive model

圖1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D model

3.2 土工格柵單元模型

3.2.1 土工格柵單元的建立

采用FLAC3D內(nèi)置的土工格柵結(jié)構(gòu)單元。每個(gè)土工格柵結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)性能可以分成格柵材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和格柵構(gòu)件與網(wǎng)格的交互作用方式。土工格柵構(gòu)件采用CST殼有限單元，即能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載。土工格柵與FLAC3D網(wǎng)格發(fā)生直接的剪切摩擦作用，其剪切特性包括粘聚力和摩擦作用。在路堤中高度0.5～10 m的范圍內(nèi)，每隔0.5 m創(chuàng)建一層土工格柵。土工格柵的長(zhǎng)9 m，如圖2所示。

圖2 格柵設(shè)置(單位: m)Fig.2 Arrangement of geogrids(unit: m)

3.2.2 土工格柵單元參數(shù)確定

由于土工格柵在加筋土路堤中的實(shí)際應(yīng)變一般小于2%，HDPE和PET兩種土工格柵的拉伸試驗(yàn)曲線如圖 3所示。兩種土工格柵的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 兩種格柵拉伸曲線Fig.3 Tensile curves of two different geogrids

表3 FLAC3D中格柵參數(shù)Table 3 Parameters of geogrids in FLAC3D

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 土工格柵應(yīng)變

圖4為路堤不同高度處數(shù)值模擬所得的格柵應(yīng)變曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖4（a）和圖4（b）可以看出，在加筋土路堤的中下部，上部土體自重較大，土工格柵材料特性對(duì)加筋土內(nèi)部格柵應(yīng)變分布影響顯著。因HDPE格柵剛度相對(duì)較小，HDPE格柵應(yīng)變隨距離路堤坡面距離增加變化幅度很大，而 PET格柵的應(yīng)變值沿長(zhǎng)度方向變化幅度卻非常小。在路堤前部，HDPE格柵的應(yīng)變值遠(yuǎn)大于PET格柵，隨著深入路堤內(nèi)部，HDPE的應(yīng)變值發(fā)生陡降并開(kāi)始小于后者。數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都清晰地反應(yīng)出了這樣的規(guī)律。

圖4 不同高度處格柵應(yīng)變曲線Fig.4 Geogrids strain curves at different heights

從材料強(qiáng)度發(fā)揮的角度分析，PET格柵沿長(zhǎng)度方向相對(duì)均勻的應(yīng)變值，說(shuō)明了PET格柵通長(zhǎng)都得到了較為均勻的拉伸，其材料強(qiáng)度在整個(gè)加筋范圍均得到了充分發(fā)揮，有利于提高格柵全長(zhǎng)的加筋效果。HDPE在靠近坡面的大應(yīng)變與后端的應(yīng)變值陡降則不利于后半段格柵材料的加筋效應(yīng)發(fā)揮。結(jié)合格柵與土體的相互作用機(jī)制可知，PET格柵更好地控制了墻體前后段的變形。

從圖4還可以看出，隨著離開(kāi)路堤頂部距離的減小，HDPE和PET格柵的應(yīng)變值逐漸變小，兩種材料應(yīng)變沿長(zhǎng)度方向的差別也逐漸減小。說(shuō)明在接近路堤上部時(shí)，由于填土厚度較小，格柵上填土的垂直土壓力較小，兩種格柵的應(yīng)變相對(duì)較小，格柵剛度對(duì)格柵應(yīng)變的影響減弱，HDPE和PET格柵的應(yīng)變曲線逐漸趨于相同。

4.2 水平位移

圖5為HDPE和PET格柵加筋路堤不同高度處的水平位移對(duì)比曲線。從圖中可以看出，在路堤前部，HDPE加筋路堤的水平位移較PET大，且這種差別隨上部填土厚度的增加而增大；隨著深入路堤內(nèi)部，二者的水平位移趨于相同。

圖5 不同高度處土體水平位移對(duì)比Fig.5 Comparison between horizontal displacement in different heights

圖6為鋪設(shè)兩種不同格柵的路堤位移云圖。從圖 5、6可以看出，PET格柵加筋土路堤的水平位移普遍小于HDPE格柵路堤，前者坡面的最大水平位移約是后者的81.4%。

圖6 土體水平位移云圖(單位: m)Fig.6 Horizontal displacement of retaining wall(unit: m)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，聯(lián)系兩種格柵的應(yīng)變差異，顯然HDPE格柵在路堤前部的較大應(yīng)變并未有效控制路堤的水平變形；對(duì)于后段應(yīng)變較大的PET格柵，其路堤的水平應(yīng)變卻得到了很好的約束。由此可知，在路堤后部，剛度較大的PET格柵能更好地控制加筋路堤的水平位移。

4.3 土壓力

從圖7中加筋路堤不同高度的垂直土壓力曲線可見(jiàn)，隨著上部填土厚度的減小，加筋土內(nèi)土壓力的峰值漸漸遠(yuǎn)離坡面，且沿格柵長(zhǎng)度方向逐漸由單峰值向均勻化過(guò)渡，這與相應(yīng)位置處土工格柵的變形規(guī)律相吻合。雖然HDPE和PET兩種格柵在加筋土路堤內(nèi)的剛度和強(qiáng)度發(fā)揮程度不同，但是它們?cè)谡{(diào)整路堤內(nèi)部垂直土壓力方面沒(méi)有太大差異，說(shuō)明變形較小時(shí)格柵剛度對(duì)加筋土路堤內(nèi)部垂直土壓力分布影響較小。根據(jù)圖中加筋路堤水平土壓力曲線，PET格柵加筋路堤在靠近坡面處的水平土壓力略大于HDPE格柵。格柵剛度對(duì)路堤中下部的近坡面水平土壓力雖略有影響，但影響有限。

圖7 不同高度土壓力對(duì)比Fig.7 Comparison between earth pressure in different heights

5 結(jié) 論

（1）格柵材料特性對(duì)加筋土路堤變形影響顯著。剛度較大的PET格柵控制加筋土路堤水平位移的能力明顯強(qiáng)于HDPE格柵，尤其在靠近坡面的區(qū)域，前者加筋的路堤發(fā)生較大水平應(yīng)變的面積明顯小于后者。

（2）加筋土內(nèi)格柵沿長(zhǎng)度方向的應(yīng)變不但與其材料剛度密切相關(guān)，還取決于其上覆填土自重。在路堤中下部，土壓力較大，HDPE格柵的應(yīng)變沿長(zhǎng)度分析波動(dòng)較大，其最大和最小值相差了近1倍；PET格柵的應(yīng)變曲線雖也略有起伏，但是其拉伸應(yīng)變值差異很小。在路堤高處，隨著上覆土壓力減小，二者的應(yīng)變曲線開(kāi)始接近并最終幾乎重合。顯然土壓力較大時(shí)，剛度較大的PET格柵在路堤中更加充分地發(fā)揮了加筋作用。

（3）加筋土路堤內(nèi)垂直和水平土壓力受格柵材料特性的影響較小。兩種不同剛度的格柵對(duì)土體豎向應(yīng)力的控制作用基本相同，但在控制水平應(yīng)力方面，PET格柵對(duì)水平位移的約束導(dǎo)致了路堤中下部靠近坡面處出現(xiàn)略大的水平土壓力。

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