加筋路堤填筑過程的有限元分析

張紅日，肖　侃

(1.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007；2.南寧市交通工程質量監(jiān)督站，廣西 南寧 530001)

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加筋路堤填筑過程的有限元分析

張紅日1，肖侃2

(1.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007；2.南寧市交通工程質量監(jiān)督站，廣西 南寧 530001)

采用有限元對土工格柵在路基填筑中的施工過程進行數(shù)值模擬，對比路基加筋和未加筋兩種情況。分析結果表明：土工格柵在路堤填筑過程中能夠有效地減小路堤側向位移，均化路堤沉降，提高路堤穩(wěn)定性。

土工格柵；路堤填筑；有限元；加筋作用

土工格柵是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵。土工格柵的應用在我國起步較晚，但是發(fā)展較快，八十年代初期在國內開始試驗應用，目前在路基處理中應用較多[1-2]。土工格柵是一種新型巖土工程材料，利用土工格柵與土之間的錨固力、嵌鎖力和截面摩擦阻力，將結構物與填土連成一體，發(fā)揮加強或保護土體的作用[3-10]。本文采用有限元對土工格柵在路基填筑中的施工過程進行數(shù)值模擬，對土工格柵在路堤填筑中的加筋效果進行分析，分析結果對類似工程有借鑒意義。

1　路堤填筑的有限元分析

1.1工程概況

某高速公路是廣西橫向交通線路的重要組成部分，該項目軟基較多，但軟基力學參數(shù)較好，含砂，內摩擦角比普通軟基普遍偏大，具備一定的利用價值。采用換填方式進行處理不但開挖工程量巨大，棄土困難，而且較為浪費，工程造價亦較大，因此該高速公路軟基采用路基加筋方式進行處理。針對該高速公路路堤加筋分層填筑施工的情況，對其典型路堤填筑斷面進行有限元分析。

圖1　路堤示意圖(單位：m)

1.2計算模型及參數(shù)

表1　各層土物理力學參數(shù)

表2　土工格柵物理力學參數(shù)

有限元分析時，將路堤作為平面應變模型，考慮路堤的對稱性，取一半路堤建模分析，從路堤中心取13 m寬度。下臥密砂不考慮變形，地下水位較低不考慮孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散。

為使有限元分析更貼近施工實際情況，將模型中路堤填筑分為5步，每一步回填高度為1 m。使用接觸面單元來模擬土工合成材料，考慮其與上下土層以及砂墊層之間的摩擦，分析得到路堤填筑中的應力應變情況，最后根據(jù)應力應變結果分析計算邊坡穩(wěn)定性。

2　計算模擬結果及分析

2.1側向變形分析

在圖1中選取AD斷面為代表，計算出軟粘土地基在垂直方向上分層填筑過程中的水平位移，分析結果見圖2。比較加筋與未加筋，可以明顯看出土工格柵約束淺層地基側向水平位移的作用效果。地基側向最大水平位移發(fā)生在距離地表1～2m處，未加筋時，第一、二、三、四次填筑時最大水平位移分別為18.6 mm、40.5 mm、67.1 mm、96.9 mm，第五次填筑時最大水平位移發(fā)生在坡腳處為138.6 mm。加筋后，五次填筑產(chǎn)生的最大水平位移分別為15.5 mm、28.8 mm、40.2 mm、50.6 mm、59.6 mm，水平位移較未加筋分別降低了16.7%、28.9%、40.1%、47.8%、56.9%。土工格柵對于坡腳附近的加筋效果十分明顯，能夠有效地減少其水平位移。

2.2沉降及沉降差分析

取圖1中BC截面作為代表進行有限元分析，垂直方向沉降結果如圖4所示。未加筋地表BC截面在五次填筑過程中的最大沉降量分別為70.6 mm、140.1 mm、212.5 mm、286.6 mm、359.7 mm。而加筋后，五次填筑過程中最大沉降量分別為69.1 mm、137.0 mm、203.3 mm、269.7 mm、336.5 mm，最大沉降量較未加筋時分別降低了2.1%、2.2%、4.3%、5.9%、6.4%。對沉降量的減小效果不是很理想，但是對于BC斷面各處沉降量平均化有較大的效果。

圖2　未加筋路堤和加筋路堤AD斷面水平位移

圖3　未加筋和加筋路堤BC斷面垂直方向沉降量

2.3穩(wěn)定性分析

通過有限元分析邊坡的穩(wěn)定性，未加筋時安全系數(shù)為1.268，而加筋后安全系數(shù)為1.575，邊坡穩(wěn)定性得到顯著提高。在分析計算中土工合成材料所受拉力并沒有參與穩(wěn)定性計算，土工合成材料僅通過改變邊坡內部的應力場，從而影響到邊坡的穩(wěn)定性。由圖4可以看出：土工合成材料加筋后，潛在滑移方向指向坡角，說明土工合成材料提供一個拉力從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖4　未加筋和加筋路堤滑動面示意圖

2.4土工格柵軸力變化分析

五次填筑中土工合成材料軸力的變化如圖5所示，在路堤分層填筑中土工合成材料所受到的最大軸力為176.5 kN，小于土工合成材料的抗拉強度，土工合成材料所受軸力隨著填筑高度的增加而增加。

圖5　土工合成材料上軸力分布圖

3　結論

本文利用有限元方法對路堤填筑中設置土工格柵的效果進行了分析研究，主要結論如下：

(1)土工格柵在路基填筑過程中發(fā)揮重要的作用，對路基填筑產(chǎn)生的變形有較好的控制。土工格柵能夠有效限制地基側向位移，均化地基沉降，減小路堤變形。

(2)在路堤填筑中，土工格柵的軸力受到的影響因素較多，研究認為路堤填筑高度為主要影響因素，隨著路堤填筑高度的增加，土工格柵材料的軸力增大，在分層填筑施工過程中應控制施工進度，充分利用土工格柵材料抗拉強度，有效降低路堤變形。

(3)通過有限元分析能夠得到路堤填筑過程中，潛在滑動面的位置，優(yōu)化設計，有利于土工格柵材料加筋作用的發(fā)揮。

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Finite element analysis of filling process of reinforced embankment

ZHANG Hong-ri1，XIAO Kan2

(1.GuangxiTransportationResearchInstitute,Nanning530007,China;2.TrafficEngineeringQualitySupervisionStationofNanning,Nanning530001,China)

By using the finite element method to simulate the filling process,and comparing the unreinforced road embankment with reinforced one,it shows that the geogrid can effectively reduce the lateral displacement of the embankment and the settlement of the embankment,and improve the stability of the embankment.

geogrid;embankment filling;FEM;reinforcement effect

2016-05-01

國家自然科學基金(51178063,51578082)；廣西科學研究與技術開發(fā)計劃 (2015AC09017)；廣西交通科學研究院科技項目(KJ2014-014)

張紅日(1983—)，男，廣西柳州人，博士研究生，工程師。

1674-7046(2016)05-0012-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.003

U416.1

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