土工格柵二灰改良土在路基加寬中的應(yīng)用分析

梁小勇，靳 靜

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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土工格柵二灰改良土在路基加寬中的應(yīng)用分析

梁小勇，靳 靜

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為了實(shí)現(xiàn)路基加寬工程中新老路基的有效連接，提出了使用土工格柵二灰改良土加寬路基的技術(shù)方法。以滄州市沿海公路路基加寬工程為研究對象，基于面向巖土工程的有限元分析程序MIDAS/GTS建立數(shù)值模型，分析土工格柵二灰土加寬路基的改良效果。結(jié)果顯示土工格柵作為柔性加筋材料，有效改善了所加寬路基的受力性能。

路基工程；二灰改良土；土工格柵；豎向位移；水平位移

隨著交通量的迅速增長，部分建成通車的高速公路又面臨著擴(kuò)建、加寬的問題[1-2]。在軟土地基上，高速公路路基的加寬工程要考慮路基的整體穩(wěn)定和差異沉降問題[3]。因?yàn)樾侣坊慕ㄔO(shè)會(huì)引起路基邊坡失穩(wěn)和新老路基的差異沉降，所以軟土地基上高速公路路基加寬的關(guān)鍵問題就是如何減小新老路基之間的差異沉降，并保證新老路基之間的有效連接[4-5]。

1 工程概況

滄州市沿海公路正港路口至埕口橋段改建工程的既有路基運(yùn)營多年，固結(jié)沉降基本完成，新加寬路基寬度為5 m，高度為6 m。根據(jù)現(xiàn)場工程實(shí)際，為防止新、舊路基產(chǎn)生過大差異沉降，路基加寬段選用石灰、粉煤灰和土按照1∶4∶5的比例混合作為填料，同時(shí)鋪設(shè)土工格柵等加筋材料，通過研究路基豎向位移、水平位移及加筋材料軸力等技術(shù)指標(biāo)，以期為類似工程提供借鑒[6-8]。

2 數(shù)值模型的建立

以滄州市沿海公路路基加寬工程為依托，根據(jù)圣維南原理選取計(jì)算模型：以路基橫剖面為X方向，取60 m；以重力方向?yàn)閅方向，取120 m；采用MIDAS/GTS建立平面應(yīng)變模型，巖土體材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型[9-11]；加筋材料采用土工格柵單元，土體單元為6 080個(gè)，格柵單元為124個(gè)，接觸面單元為124個(gè)。路基加寬段選用二灰改良土作為填料，同時(shí)鋪設(shè)土工格柵等加筋材料，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)

計(jì)算基本假設(shè)：1)巖土類材料采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；2)由于模型的對稱性，選取路基中線為邊界，即取模型的一半進(jìn)行建模分析；3)邊界條件為約束計(jì)算模型側(cè)面邊界X軸和Y軸方向的水平位移，約束計(jì)算模型側(cè)面邊界X軸和Y軸方向的豎向位移。路基加寬計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 路基網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Division diagram of subgrade grid

3 計(jì)算結(jié)果分析

用MIDAS/GTS建立數(shù)值模型，研究二灰改良土土工格柵的強(qiáng)度特性，分析二灰土土工格柵加寬路基的改良效果，選取路基豎向位移、水平位移及加筋材料軸力等3個(gè)量化指標(biāo)進(jìn)行分析[12-15]。

3.1 加寬路基豎向位移分析

通過平面應(yīng)變計(jì)算模型分析二灰改良土加寬路基豎向位移的發(fā)展規(guī)律，得到二灰改良土加寬路基豎向位移云圖和二灰改良土加寬路基施工階段的塑性區(qū)分布云圖，分別如圖2和圖3所示。

圖2 二灰改良土路基豎向位移云圖Fig.2 Vertical displacement field of subgrade

圖3 加寬路基施工塑性區(qū)云圖Fig.3 Plastic zone cloud picture of widened subgrade

由圖2、圖3分析可以得出以下結(jié)論：

1)選取二灰改良土作為加寬路基的填料，并在新、舊路基結(jié)合處設(shè)置土工格柵加筋材料，有效控制了路基豎向位移的發(fā)展，豎向位移最大值為30.2 mm；

2)加寬路基施工階段豎向位移分布規(guī)律表現(xiàn)為自舊路基坡腳處為中心向外衰減，最大值發(fā)生在舊路基坡腳處；

3)與加寬路基豎向位移分布類似，施工階段的塑性區(qū)自舊路基坡腳處為中心向外呈放射性擴(kuò)展，在鋪設(shè)土工格柵處路基填土出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)。

3.2 加寬路基水平位移分析

通過平面應(yīng)變計(jì)算模型分析二灰改良土加寬路基水平位移的發(fā)展規(guī)律，如圖4所示。從圖4可以得出以下結(jié)論：

1)采用二灰改良土作為加寬路基的填料，土工格柵加筋材料與路基填土相互咬合，抑制了路基填土的水平擠出位移；

2)加寬路基施工階段新路基邊緣處水平位移較大，水平位移的最大值發(fā)生在新路基坡腳處，土工格柵加筋摩擦效應(yīng)使得該處路基的水平位移產(chǎn)生突變，避免過大擠出位移。

圖4 二灰改良土路基水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacement field of subgrade

3.3 土工格柵軸力分析

土工格柵加筋材料長度取5.0 m，加筋間距為0.6 m(路基高度為2～4 m)，其他部分為0.4 m，圖5為加寬路基土工格柵軸力圖。

圖5 二灰改良土土工格柵軸力圖Fig.5 Axial force diagram of geogrid

從圖5可以看出：1)土工格柵的最大軸力產(chǎn)生于新路基與舊路基結(jié)合部位，其他部位軸力較小，軸力最大值為15 N，遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度；2) 二灰改良土加寬路基施工中，土工格柵軸力沿其軸線方向非線性分布，土工格柵作為柔性加筋材料，有效改善了加寬路基的受力性能，由數(shù)值計(jì)算可以看出加筋效果的影響因素主要為格柵加筋長度與加筋間距。

現(xiàn)行加筋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，格柵加筋間距的選取主要源于工程經(jīng)驗(yàn)法。加寬路基的土工格柵設(shè)計(jì)間距存在適宜值，以便達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的雙贏效果。數(shù)值計(jì)算時(shí)選取加寬路基側(cè)向位移為控制指標(biāo)，對比分析間距為0.4，0.8與1.2 m時(shí)土工格柵的加筋效果，以及對比分析格柵長度為3，4與5 m時(shí)土工格柵的加筋效果，如圖6、圖7所示。

圖6 不同格柵間距時(shí)加寬路基的加筋效果Fig.6 Reinforcement effect of widened subgradeunder different geogrid space

圖7 不同格柵長度時(shí)加寬路基的加筋效果Fig.7 Reinforcement effect of widened subgradeunder different geogrid length

由圖6可以看出：1)加筋間距對加寬路基側(cè)向位移的變形模型影響較小，均表現(xiàn)為鼓肚狀破壞；2)當(dāng)加筋間距減小時(shí)，加寬路基的側(cè)向位移由3.4 cm減小為1.7 cm，且格柵間距為0.4 m與0.8 m的位移值相近，可見土工格柵加筋間距存在適宜值；3)當(dāng)加筋間距超過適宜值后，加寬路基的加筋效果不再明顯，但工程成本急劇增加。以選取的加寬路基為例，計(jì)算可得加筋間距的適宜值為0.4～0.8 m。

由圖7可以看出：1)隨著加筋長度的增加，加寬路基的側(cè)向位移由8.5 cm減小為1.8 cm，格柵長度的增加有效地改善了加寬路基的加筋效果；2)加筋長度存在適宜值，加筋長度由2 m增至4 m時(shí)，加寬路基側(cè)向位移減小顯著，4 m以后側(cè)向位移減小不大。

4 結(jié) 論

選取滄州市沿海公路路基加寬工程為研究對象，采用面向巖土工程的有限元分析程序MIDAS/GTS建立數(shù)值模型，分析二灰土加寬路基的改良效果，得出如下結(jié)論：

1)對于舊路基加寬工程選用二灰改良土作為填料，并在新、舊路基結(jié)合處鋪設(shè)土工格柵加筋材料，能有效地控制路基的豎向位移和避免產(chǎn)生過大的水平位移。這是因?yàn)樵谙鄳?yīng)的位置由于摩擦而產(chǎn)生了一定的網(wǎng)兜效應(yīng)，有效控制了路基塑性區(qū)的發(fā)展，有利于路基填土的整體穩(wěn)定。

2)在用土工格柵二灰改良土加寬路基的施工過程中，格柵加筋長度與加筋間距是影響格柵加筋效果的主要因素。通過數(shù)值分析和現(xiàn)場檢測，可知格柵加筋間距的適宜值為0.4～0.8 m，格柵加筋長度在4 m左右比較合理。

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Application analysis of widened subgrade reinforced by lime-flyash-improved soil and geogrid

LIANG Xiaoyong, JIN Jing

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to realize effective connection between the new and the existing subgrades in subgrade widening, the method of using lime-flyash-improved soil and geogrid for subgrade widening is put forward. Taking the subgrade widening project of coastal highway in Cangzhou as research subject, and based on the rock-soil-faced ANSYS Midas/GTS platform, the improvement effect of lime-flyash-improved soil and geogrid for subgrade widening is analyzed. The result shows that as a flexible reinforcement material, the geogrid improves effectively the mechanical properties of the widened subgrade.

subgrade engineering; lime-flyash-improved soil; geogrid; vertical displacement; horizontal displacement

1008-1534(2016)04-0329-04

2016-03-01;

2016-03-24；責(zé)任編輯：馮 民

河北省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(QN2015062); 河北省自然科學(xué)基金(E2014208135)

梁小勇(1980—)，男，湖北襄陽人，講師，碩士，主要從事巖土工程方面的研究。

E-mail: liaxiayon@hebust.edu.cn

U416.1

A

10.7535/hbgykj.2016yx04012

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